FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS, SOCIALES Y

HUMANAS

FÍSICA ONDAS Y ÓPTICA

MAGNETOSTÁTICA I

INVESTIGACIÓN PREVIA. (PREINFORME) ¿Cómo funciona una brújula? Ver y estudiar los siguientes videos sobre la relación entre magnetismo y electricidad: http://www.youtube.com/watch?v=KMf6jjMepcs Investigar sobre materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos http://www.youtube.com/watch?v=me5Zzm2TXh4 http://www.youtube.com/watch?v=Qn7yGvbzVkM http://www.youtube.com/watch?v=2cSSdP8JhFw INTRODUCCIÓN Muchos historiadores de la ciencia creen que la brújula, la cual usa una aguja magnética, se utilizó en china por primera vez en el siglo XIII A.C., y que su invención es de origen árabe o hindú. Los antiguos griegos tenían conocimiento del magnetismo desde el año 800 A.C. y además, descubrieron que la magnetita (imán natural) atraía pedazos de hierro. En 1269 un francés llamado Pierre de Maricourt trazó las direcciones que seguía una aguja colocada en diversos puntos sobre la superficie de un imán natural esférico. Encontró que las direcciones formaban líneas que encerraban en un círculo a la esfera y que pasaban por dos puntos diametralmente opuestos el uno del otro, a los cuales llamó polos del imán. Experimentos subsecuentes mostraron que todo imán, sin importar su forma, tiene dos polos, llamados polos norte y sur, los cuales ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera análoga a las fuerzas que ejercen entre sí las cargas eléctricas, es decir, polos iguales se repelen entre sí y polos diferentes se atraen uno al otro. Los polos recibieron sus nombres debido al comportamiento de un imán en la presencia del campo magnético de la tierra. Si un imán de barra se suspende de su punto medio y puede balancearse libremente en un plano horizontal, girara hasta que su polo norte apunte al polo Norte geográfico de la Tierra (polo sur magnético de ella). En 1600 William Gilbert, amplió los experimentos de Maricourt a una gran diversidad de materiales. A partir de que la aguja de una brújula se orienta en direcciones preferidas, sugirió que la propia Tierra es un gran imán permanente, figura 1. En 1750 algunos investigadores emplearon una balanza de torsión para demostrar que los polos magnéticos ejercen fuerzas atractivas o repulsivas entre sí y que estas fuerzas varían con el cuadrado inverso de la distancia entre los polos que interactúan. Aunque la fuerza entre dos polos magnéticos es similar a la fuerza entre dos cargas eléctricas, existe una importante diferencia. Las cargas eléctricas pueden aislarse, en tanto que un polo magnético individual nunca se ha aislado, es decir, los polos magnéticos siempre se encuentran en pares. No importa cuántas veces se corte en dos un imán permanente, cada pedazo siempre tendrá un polo norte y uno sur.

Figura 1. La representación de las líneas de campo magnético de la tierra (a), es similar a la de una barra imantada (b).

La relación entre magnetismo y electricidad fue descubierta en 1819 durante una conferencia demostrativa, cuando el científico danés Hans Christian Oersted, encontró que una corriente eléctrica en un alambre desviaba la aguja de una brújula cercana, figura 2. Poco tiempo después, André Ampére, formulo leyes cuantitativas para calcular la fuerza magnética ejercida sobre un conductor que transporta una corriente, por otro conductor por el cual circula otra corriente; además sugirió que, a nivel atómico, las espiras de corriente eléctrica son responsables de todos los fenómenos magnéticos.

Figura 2. (a) Todas las agujas de la brújula apuntan en la misma dirección, cuando no pasa corriente por el alambre. (b) Las agujas se desvían en una dirección tangencial a la circunferencia, que es la

dirección del campo magnético debido a la corriente que pasa por el alambre. (c) Líneas circunferenciales de campo magnético (mostradas con limaduras de hierro) alrededor del alambre por

el que pasa corriente. Durante el proceso experimental que se llevará a cabo, se pretende corroborar mucho de lo antes mencionado y adentrarnos en el maravilloso mundo del magnetismo. PALABRAS CLAVES: Campo Magnético; Imán; Polos Magnéticos; Corriente; Tesla; Brújula; Bobinas de Helmholtz.

ELEMENTOS DE COMPETENCIA

Modela y construye experiencias físicas que permiten aclarar y visualizar conceptos físicos fundamentales relacionados con la Magnetostática.

OBJETIVOS

1. Identificar los tipos de fuerzas magnéticas que se presentan y sus diferencias con las interacciones.

2. Verificar la relación entre magnetismo y electricidad descubierta por Öersted, asociando las corrientes eléctricas como fuente real de campos magnéticos.

EQUIPOS E INSTRUMENTAL

PRECAUCIONES

Las dispuestas en la inducción del uso del equipo e instrumental del Laboratorio.

Antes de encender la fuente de corriente, cuando la conecte a las bobinas, decirle al docente que revise conexiones.

No aplique más de 1 amperio de corriente por cada bobina.

Poner una hoja de papel entre las limaduras de hierro y el imán permanente, SIEMPRE que vaya a recoger la limadura, para evitar que se pegue al imán.

PROCEDIMIENTO

ACTIVIDAD 1 Conecte un cable a la fuente de corriente, y colóquelo encima la brújula, de manera que la aguja sea paralela al cable, incremente la corriente, observe y describa la situación. Invierta la dirección de la corriente que fluye por el cable, observe y describa la situación. ¿Porqué se desvía la aguja?, ¿Porqué la dirección de desviación depende de la manera como se conecte el cable? Repita el mismo procedimiento incluyendo las preguntas, pero ahora procurando que la aguja esté perpendicular al cable. ACTIVIDAD 2 Conecte una bobina a la fuente de corriente, e incremente gradualmente la corriente que circula por ella sin pasar de 1 amperio, Ubique la brújula alrededor de la bobina, y en diferentes puntos alejándose de ella. ¿De que manera se distribuye el campo magnético alrededor de la bobina? Rocíe limaduras alrededor. Observe y describa la situación. Conecte ahora las dos bobinas en serie las bobinas de Helmholtz, e incremente gradualmente la corriente que circula por ella sin pasar de 1 amperio, ubique la brújula en distintas zonas de la tabla y anote lo observado. ¿Que diferencia encuentra en la manera que se distribuye la limadura, con respecto a una sola bobina? Invierta la polaridad en una de las bobinas, y repita el procedimiento inmediatamente anterior.

Fuente de corriente continua Limadura de hierro

Bobinas de Helmholtz Trozos de distinto material

Brújula

¿Qué observa a medida que va agregando limadura de hierro a la tabla? Realice un bosquejo de lo observado. ¿Era lo que esperaba?, ¿por qué? ¿Oersted tenía razón? ¿Es uniforme el campo magnético en la zona media entre las bobinas? Desplace la brújula a lo largo del eje de las bobinas, ¿qué observa? Desplace la brújula perpendicular al eje de las bobinas, ¿qué observa? Introduzca la arandela de latón (dorada), ¿que sucede con la distribución de líneas de campo? Introduzca ahora la arandela de acero, ¿que sucede con la distribución de líneas de campo? Levante la arandela de acero lentamente hasta que salga de las bobinas, explique lo observado. Establezca una analogía entre los materiales conductores de la electricidad y los materiales ferromagnéticos. ¿Podría hablarse de materiales conductores de las líneas de flujo magnético? Explique.

REFERENCIAS

Hewitt P. Fundamentos de Física Conceptual. Editorial Pearson-Addison Wesley (2009).

Sears F., Zemansky M., Young H. y Freedman R. Física Universitaria con Física Moderna.Volumen I. Editorial Pearson-Addison Wesley (2005).

Última edición: 1 de noviembre de 2012