3 Interaccion magnetica (1)
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INTERACCIÓN MAGNÉTICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. Magnetismo. El magnetismo natural. Campo magnético. Electromagnetismo. El campo magnético frente la electricidad. Campos magnéticos originados por cargas en movimiento. 7. Interacción entre dos conductores rectilíneos. 8. Ley de Ampere. Física 2º bachillerato Interacción magnética 1 0. CONOCIMIENTOS PREVIOS Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: • Los imanes (naturales o artificiales) se atraen y repelen entre sí y atraen objetos de hierro. • Los imanes tienen dos polos (norte y sur), los iguales se repelen y los distintos se atraen. • Las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos. • La intensidad de corriente eléctrica. Física 2º bachillerato Interacción magnética 2 1. MAGNETISMO El magnetismo es la propiedad que tienen las sustancias magnéticas (imanes) de atraerse y repelerse entre sí o de atraer otros materiales. Los imanes tienen dos extremos denominados polos magnéticos (norte y sur) que son imposibles de separar dentro de un imán. Polos iguales se repelen y polos distintos se atraen. No se pueden separar los polos de un imán. Tipos de sustancias magnéticas: • Imanes naturales (permanentes). • Imanes artificiales: – Frotados con magnetita (permanente o temporales). – Electroimanes (temporales). Física 2º bachillerato Interacción magnética 3 2. EL MAGNETISMO NATURAL Existen sustancias naturales que presentan propiedades magnéticas, estas propiedades magnéticas tienen su origen en las corrientes eléctricas (movimiento de electrones). Dentro de todas las sustancias existen dominios. Los dominios son regiones orientadas, zonas donde los dipolos magnéticos a nivel atómico toman la misma dirección. Cuando los dominios están al azar se anulan mutuamente, pero cuando toman el mismo sentido originan imanes. Según el comportamiento de la sustancia ante los efectos de un campo magnético externo existen sustancias: diamagnéticas, paramagnéticas y ferromagnéticas. Física 2º bachillerato Interacción magnética 4 2. EL MAGNETISMO NATURAL El momento magnético o permeabilidad magnética (μ) es la capacidad de una sustancia o de un medio para hacer pasar a través suyo un campo magnético, es una constante característica de las sustancia o medio. Es una medida de la cantidad de magnetismo que una sustancia puede adquirir ante un campo magnético aplicado. Es un fenómeno presente en algunos materiales en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material que por el aire o el vacío. Esto provoca que cuando un material permeable se coloca en un campo magnético, concentre un mayor número de líneas de flujo por unidad de área y aumente el valor de la densidad del flujo magnético. La permeabilidad magnética del vacío μo tiene un valor en el Sistema Internacional de: 0 4 107 Wb Am 4 107 Tm A 4 107 N 2 A Física 2º bachillerato Interacción magnética 5 2. EL MAGNETISMO NATURAL Las sustancias diamagnéticas: • Su momento magnético es cero, su permeabilidad magnética es siempre inferior a la permeabilidad magnética del vacío (μo). • No presentan observables. • Al situarlas ante un campo magnético se induce un campo magnético momentáneo, muy débil y de sentido opuesto (para neutralizarlo). propiedades magnéticas • Es repelido (rechazado) ligeramente por un imán (campo magnético), se alejan del electroimán moviéndose hacia la zona de menor intensidad del campo magnético. • Ej: agua, sal común, oro, plata, cobre y plomo. Física 2º bachillerato B Comportamiento de una sustancia paramagnética Al situar la sustancia frente a un campo magnético externo se induce un campo magnético interno momentáneo muy débil de sentido opuesto al externo. Interacción magnética 6 2. EL MAGNETISMO NATURAL Las sustancias paramagnéticas: • Su momento magnético es no nulo, su permeabilidad magnética es siempre superior a la permeabilidad magnética del vacío (μo) pero con valor similar a esta. • Las propiedades magnéticas del paramagnetismo aumentan al descender la temperatura. • Al aplicar un campo magnético externo tienden a alinearse con él, aunque no de manera total debido a la agitación térmica. El campo magnético inducido tiene el mismo sentido y es mayor. • Son atraídas débilmente por el imán (campo magnético), se acercan hacia el interior del electroimán, se mueven hacia la zona donde el campo magnético se intensifica. • Ej: estaño, platino, oxígeno y aluminio. Física 2º bachillerato B Comportamiento de una sustancia paramagnética Al situar la sustancia frente a un campo magnético externo los momentos magnéticos tienden a alinearse con él, pero sin obtener una alineación total debido a la agitación térmica. Se genera un campo magnético interno hacia las zonas más intensas del campo. Interacción magnética 7 2. EL MAGNETISMO NATURAL Las sustancias ferromagnéticas: • Su momento magnético es no nulo, los átomos están agrupados en grandes dominios con sus momentos magnéticos en la misma dirección, su permeabilidad magnética es siempre superior a la permeabilidad magnética del vacío (μo). • Las propiedades magnéticas varían a partir de la temperatura del punto de Curie. – – • • Por encima del punto crítico (punto de Curie) se comportan como sustancias paramagnéticas, la agitación térmica no permite la alineación de los dominios. Por debajo del punto crítico (punto de Curie) y ante la presencia de un campo magnético externo se orientan (alinean) todos los dominios creando un campo magnético interno muy intenso. Son fuertemente atraídos por el imán (campo magnético), se mueven hacia el interior del electroimán experimentando una intensa fuerza magnética. Ej: hierro, cobalto y níquel. B Comportamiento de una sustancia ferromagnética No presentan efectos magnéticos apreciables hasta la presencia de un campo magnético externo donde todos los momentos magnéticos se alinean en la dirección del campo generando un campo magnético muy intenso. Dominios Momentos magnéticos alineados con el campo Momento magnético resultante Física 2º bachillerato Interacción magnética B 8 2. EL MAGNETISMO NATURAL El campo magnético terrestre es el comportamiento del planeta como un gigantesco dipolo magnético. Los polos magnéticos terrestres están próximos a los polos geográficos pero invertidos (el polo norte de la brújula señala al polo sur del planeta y viceversa). La diferencia entre los polos geográficos y magnéticos se denomina declinación magnética. Varía con el tiempo ya que los polos magnéticos también varían con el tiempo. El campo magnético terrestre se debe a la naturaleza y el estado del núcleo del planeta, el cual es de hierro y está en movimiento generando corrientes eléctricas que crean el campo magnético. Física 2º bachillerato Interacción magnética 9 3. CAMPO MAGNÉTICO Un campo magnético es una región del espacio cuyas propiedades (magnéticas) son perturbadas ante la presencia de una sustancia magnética. No es un campo conservativo. El campo magnético viene determinado por la inducción magnética (B), que es una magnitud vectorial que representa la intensidad del campo magnético. Un campo magnético es uniforme cuando la inducción magnética es la misma en todos sus puntos. La unidad del campo magnético o inducción magnética es el tesla (T). Si el valor de la inducción magnética es el mismo en todos los puntos se dice que el campo magnético es uniforme. Como el campo magnético no es conservativo no tiene sentido el concepto de potencial. Física 2º bachillerato Interacción magnética 10 3. CAMPO MAGNÉTICO La fuerza magnética ejercida es la fuerza que actúa sobre una carga eléctrica en movimiento que se introduce en un campo magnético. La fuerza magnética es máxima cuando el ángulo es de 90º y nula cuando es 0º o 180º. Las cargas positiva y negativas presentan fuerzas con sentidos opuestos. Física 2º bachillerato Interacción magnética F V q+ B Fuerza sobre una carga eléctrica positiva en un campo magnético F q ( v B) F q (v B) q v B sen( ) 11 3. CAMPO MAGNÉTICO Una carga eléctrica en reposo (produce un campo eléctrico) dentro de un campo magnético no experimenta fuerza magnética alguna, solo sufre una fuerza magnética cuando está en movimiento. E B E B F F v q q F F B E E q B v q F q E q( v B ) Física 2º bachillerato F qE Interacción magnética 12 EJERCICIO-EJEMPLO Una partícula cargada se introduce en una región en la que coexisten un campo eléctrico de 3 500 N/C y un campo magnético de 0,07 T que producen fuerzas iguales y opuestas sobre ella. Calcula el módulo del vector velocidad de la partícula la cual es perpendicular a ambos campos. Física 2º bachillerato Interacción magnética 13 EJERCICIO-EJEMPLO Una carga de 4 nC se introduce en un campo magnético. Halla el valor de la fuerza magnética sobre la carga. Valores de la velocidad de la partícula y de la inducción magnética en unidades del Sistema Internacional: v 2 000i Física 2º bachillerato Interacción magnética B 0,5i 0,6 j 14 3. CAMPO MAGNÉTICO Las líneas de campo (o de fuerza) representan gráficamente la inducción magnética. B Son tangentes al vector inducción magnética. B B B Son líneas cerradas (campo solenoidal). La densidad de líneas de proporcional a la intensidad. campo es B La dirección se determina como la tangente a una aguja de prueba (imantada). El sentido es la de sur a norte (coincide con el sentido norte a sur del imán creador del campo). B B B El sentido es de polo norte (fuente) hacia al polo sur (sumidero). Física 2º bachillerato Interacción magnética 15 3. CAMPO MAGNÉTICO Las líneas de campo se pueden representar perpendicularmente al plano del papel: • Los puntos indican que el campo es perpendicular al papel y salen de él acercándose a nosotros. • Las cruces indican que el campo es perpendicular al papel y se metén en él alejándose de nosotros Física 2º bachillerato Interacción magnética Representación simbólica Hacia fuera del papel Hacia dentro del papel 16 3. CAMPO MAGNÉTICO La tesla (T) es la unidad de la intensidad del campo magnético. N N T A m C m s Una tesla es la intensidad de campo (valor de inducción magnética) que produce una fuerza de un newton sobre una carga eléctrica de un culombio que se mueve con la velocidad de un metro por segundo de manera perpendicular al campo. Física 2º bachillerato Interacción magnética 17 3. CAMPO MAGNÉTICO Comparación entre los campos eléctricos y magnéticos: A N A L O G I A S Ambos ejercen cargas eléctricas. fuerzas D I F E R E N C I A S sobre Un campo eléctrico variable crea un campo magnético (y viceversa). Existen dipolos eléctricos y magnéticos (aunque los eléctricos se pueden separar y los magnéticos no). Los dipolos tienen la libertad para moverse y orientarse en función del campo. Son arrastrados hacia donde el campo es más intenso. Física 2º bachillerato El campo eléctrico es conservativo y el magnético no (por eso el eléctrico tiene definido un potencial y el magnético no). Las líneas de campo eléctrico son abiertas y las de campo magnético son cerradas. Las fuerzas del campo eléctrico son centrales y las del magnético no. Las fuerzas de campo eléctrico tienen la dirección del vector intensidad de campo y las del magnético son perpendiculares. El campo eléctrico actúa siempre sobre las cargas y el campo magnético solo si están en movimiento. Interacción magnética 18 3. CAMPO MAGNÉTICO E B Líneas de campo eléctrico Física 2º bachillerato Líneas de campo magnético Interacción magnética 19 3. CAMPO MAGNÉTICO El campo eléctrico es conservativo, el trabajo para llevar una partícula de un punto a otro no depende del camino. El campo magnético no es conservativo, el trabajo para llevar una partícula de un punto a otro sí depende del camino P’ P’ 1 E P q B P q 2 T1 T2 Física 2º bachillerato 1 2 T1 T2 Interacción magnética 20 RELACIÓN DE EJERCICIOS FUERZAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS Física 2º bachillerato Interacción magnética 21 4. ELECTROMAGNETISMO El magnetismo es una consecuencia de la electricidad. Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos (Oersted, 1777-1851) y las cargas en movimiento producen campos magnéticos (Faraday, 1791-1867). Una corriente eléctrica crea un campo magnético perpendicular al sentido de la corriente, el sentido del campo magnético solo depende del sentido de la corriente eléctrica. Física 2º bachillerato Interacción magnética 22 4. ELECTROMAGNETISMO Los puntos básicos del electromagnetismo (Ampere, 1775-1836) son: • Las cargas eléctricas en movimiento producen interacción eléctrica y magnética. • Toda carga en movimiento produce un campo magnético que actúa sobre otra carga solo si está en movimiento. • Un campo magnético actúa sobre una carga solo si está en movimiento. • En un punto existe campo magnético si una carga móvil colocada en él experimenta una fuerza. Las síntesis de electricidad y magnetismo fue enunciada por Maxwell (1831-1879). Física 2º bachillerato Interacción magnética 23 4. ELECTROMAGNETISMO La fuerza de Lorentz (generalizada) es la fuerza total que actúa sobre una carga eléctrica en un espacio donde coexisten un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B), será la suma de ambas: F qE q v B Física 2º bachillerato Interacción magnética 24 4. ELECTROMAGNETISMO La fuerza que actúa sobre una carga es: • Directamente proporcional a la carga. • Directamente proporcional a la velocidad. • Directamente proporcional a la intensidad de campo. • Perpendicular al vector intensidad de campo magnético y al vector velocidad. Física 2º bachillerato Interacción magnética 25 EJERCICIO-EJEMPLO En una región coexisten un campo eléctrico de 500 N/C y un campo magnético de 0,5 T perpendiculares entre sí. Una partícula cargada, que se mueve con una velocidad que tiene dirección perpendicular a ambos campos, penetra en la región sin desviarse. Calcula el valor de la velocidad de la partícula. Física 2º bachillerato Interacción magnética 26 RELACIÓN DE EJERCICIOS FUERZA DE LORENTZ Física 2º bachillerato Interacción magnética 27 5. EL CAMPO MAGNÉTICO FRENTE A LA ELECTRICIDAD Las acciones del campo magnético frente a una partícula cargada puede ser: • Acción del campo magnético sobre una carga en movimiento. • Acción del campo magnético sobre una corriente eléctrica. Física 2º bachillerato Interacción magnética 28 5. EL CAMPO MAGNÉTICO FRENTE A LA ELECTRICIDAD Acción del campo magnético sobre una carga en movimiento: Cuando una partícula (m) cargada (q) en movimiento entra en contacto con un campo magnético sufre una fuerza (Lorentz). F q v B q v B sen( ) Esta fuerza es proporcional a la carga, la velocidad y la inducción. Cargas con distinto signo experimentan fuerzas de sentido opuesto. Se pueden dar los siguientes casos: • Velocidad paralela a la inducción. • Velocidad perpendicular a la inducción. • Velocidad con un ángulo cualquiera respecto la inducción. Física 2º bachillerato Interacción magnética 29 5. EL CAMPO MAGNÉTICO FRENTE A LA ELECTRICIDAD Acción del campo magnético sobre una carga en movimiento con una velocidad paralela a la inducción: F q v B q v B sen( ) • α=0º-180º => sen α=0 • No aparece ninguna fuerza. • Se moverá con un movimiento rectilíneo uniforme (MRU). Física 2º bachillerato Interacción magnética 30 5. EL CAMPO MAGNÉTICO FRENTE A LA ELECTRICIDAD Acción del campo magnético sobre una carga en movimiento con una velocidad perpendicular a la inducción: F q v B q v B sen( ) v q+ z B • α=90º => sen α=1 y x • La fuerza que aparece es máxima (en la partícula negativa tiene el sentido contrario). q+ v F • Se moverá con un movimiento circular uniforme ya que la fuerza será perpendicular a los vectores v y B. y + F R F • La fuerza magnética coincide con la fuerza centrípeta. v2 Física 2º bachillerato aC R Interacción magnética v B + x v 31 5. EL CAMPO MAGNÉTICO FRENTE A LA ELECTRICIDAD mv R Fm q v B 2 qB mv m v2 F q v B R Fc T 2 R 2 m R v qB v q w B R m v2 aC R Física 2º bachillerato Interacción magnética 32 EJERCICIO-EJEMPLO Un protón penetra con una velocidad de 2 400 km/s en dirección perpendicular a un campo magnético uniforme de 1,5 teslas. Halla: a) La fuerza magnética que actúa sobre el protón. b) El radio de la circunferencia que describe. c) El período de su movimiento. Datos del protón: Carga: 1,6 · 10-19 C; masa: 1,7 · 10-27 kg Física 2º bachillerato Interacción magnética 33 EJERCICIO-EJEMPLO Una partícula a describe una circunferencia de 20 cm de diámetro en el interior de un campo magnético uniforme de 1,5 T. Halla: a) b) c) d) La velocidad de la partícula. Su energía cinética expresada en electronvoltios. El tiempo que tarda en recorrer esta circunferencia. El número de vueltas que da cada segundo. Datos de la partícula a: Carga: 3,2 · 10-19 C; masa: 6,5 · 10-27 kg Física 2º bachillerato Interacción magnética 34 RELACIÓN DE EJERCICIOS CAMPOS MAGNÉTICOS Y ELECTRICIDAD Física 2º bachillerato Interacción magnética 35
