Experimentando con la ciencia

Experimentando con la ciencia
La actividad "Experimentando con la Ciencia", forma parte del conjunto de itinerarios
científicos de la Semana de la Ciencia y Tecnología de la Universidad de Oviedo. Esta
actividad se lleva a cabo en el Edificio Científico-Tecnológico, situado en el Campus del Cristo,
en Oviedo. En este edificio se encuentran la mayor parte de los grandes equipos que forman los
Servicios Científico-Técnicos (SCTs) de la Universidad de Oviedo. Estos equipos dan soporte a
la actividad de grupos de investigación de la Universidad, así como de otras instituciones
públicas y privadas.
Líneas de campo magnético: Limaduras de Fe en una caja transparente Experimento de
Oested un hilo de cobre introducido en dos soportes de madera y conectado en serie con
una pila se intercala una brújula en el medio, al pasar la corriente se observa la creación
de un campo magnético por la desviación de la aguja, además se pegan al cable las
limaduras de Fe.
Motor eléctrico hecho con una pila de 1.5 V :A la pila que se pegan dos imanes circulares por la
parte inferior , dos cables unidos con forma circular, pelados y unidos por la mitad, se posan
sobre el polo positivo de la pila (superior) y sobre los imanes inferior, el cable, girará (forma
parecida al aerogenerador de Savonius)
Freno eléctrico: Con una fuente de alimentación del ordenador y un disco duro con disco de
aluminio, se frena al acercarle un imán permanente con una barrera
Flauta mágica: Al dejar caer un imán esférico por un tubo de cobre este baja frenado.
Carril de cortina con cuatro imanes o cinco imanes y bolas de acero para demostrar en
funcionamiento del acelerador de partículas
Batidora con un imán en la hélice se hace girar dentro de una flanera de aluminio que flota en
agua, la flanera también girará
http://www.otri.uniovi.es/Experimentos/index.html
El magnetismo es esencialmente un fenómeno cuántico-relativista muy complejo y su estudio a
nivel microscópico puede considerarse como una de las ramas más activas de la física moderna.
Sin embargo, los efectos macroscópicos del magnetismo son muy conocidos y todos hemos
experimentado alguna vez con las fuerzas de repulsión y atracción entre dos imanes.
Al hablar de magnetismo es imposible no referirse también al electromagnetismo, que es una
rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos a nivel
macroscópico, puesto que ambos aparecen íntimamente ligados en la naturaleza. Hoy en día, el
electromagnetismo es uno de los pilares más importantes de la industria, puesto que el
funcionamiento de muchas máquinas eléctricas se basa en el principio de inducción
electromagnética.
La investigación en nuevos materiales con propiedades magnéticas interesantes abre la puerta a
nuevas aplicaciones de los efectos magnéticos. Entre estos materiales están los superconductores, que
tienen la capacidad de conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero
en determinadas condiciones. La superconductividad permite plantear aplicaciones en
las que se aproveche la pérdida de resistencia eléctrica y que requieran generar campos
magnéticos muy intensos: trenes de levitación magnética, sistemas de generación de
imágenes por Resonancia Magnética Nuclear, fusión por confinamiento magnético,
nuevos dispositivos electrónicos
Imanes
Podemos clasificar los imanes en dos tipos: permanentes (que se pueden construir a
partir de diferentes materiales y mantienen continuamente sus propiedades magnéticas)
y electroimanes (construidos a partir de una bobina por la que circula una corriente eléctrica y cuyas
propiedades cesan en cuanto lo hace el suministro eléctrico). Todos ellos presentan las siguientes
características:
Un imán posee dos tipos de polos, en los que se concentra la actividad magnética.
Los polos del mismo tipo se repelen y de tipo opuesto se atraen.
No se ha observado nunca un polo magnético aislado.
Cada imán genera su propio campo magnético.
Experimento 1. ¿Cómo visualizar el campo magnético?
Para observar el campo magnético que crean diferentes tipos de imanes, utilizamos placas de
Petri rellenas de polvo de hierro. Sólo es
necesario introducir una cantidad de
polvo muy pequeña dentro de cada placa
y sellarla con celo o Parafilm® para que
el polvo no salga al exterior. Es
necesario agitar un poco la placa para
que el polvo se reparta por su superficie.
Si se acerca un imán por la parte inferior
de la placa, se pueden observar líneas de campo magnético.
Experimento 2. Imanes de nevera
Los imanes de nevera tienen una estructura interna
similar a la de varios imanes de herradura colocados uno
al lado de otro, de tal forma que la cara magnética de los
imanes de nevera presenta una sucesión de polos norte y
sur. Su estructura interna explica sus propiedades: se
pegan en la nevera, pero, sin embargo, no pueden atraer
un clavo de hierro; sólo presentan una cara magnética; no
son atraídos por un imán lineal…
Toma un imán de nevera y córtalo en dos trozos.
También puedes tratar de encontrar dos imanes de nevera
idénticos. Enfrenta entre sí dos caras magnéticas, de tal
forma que se conserve la orientación relativa original entre los dos trozos. Trata de
desplazar ahora un imán sobre otro. Prueba en un sentido y en el que forma 90º con el
primero. En uno de estos movimientos notarás que los imanes se desplazan “a saltos”.
Esto se debe a que los imanes se mueven automáticamente hasta que se enfrentan polos
opuestos de las bandas que los forman. Al intentar desplazar los dos imanes se
producirán nuevos saltos hasta las nuevas posiciones en la que los polos opuestos
vuelvan a enfrentarse. Si miras atentamente la parte magnética de estos imanes, te darás
cuenta de que, aunque tenuemente, eres capaz de distinguir bandas paralelas, que se
corresponden con los diferentes polos magnéticos.
Si giras ahora 90º uno de los trozos del imán de nevera del experimento anterior
observarás que los imanes no se pegan, debido a que hay zonas en las que coinciden
polos opuestos y otras en las que se enfrentan polos iguales.
Fuerza magnética
Existen dos vínculos fundamentales que relacionan las cargas eléctricas y el campo magnético.
El primero de ellos es el siguiente: Una carga eléctrica experimenta una fuerza cuando se
mueve en un campo magnético.
El movimiento de la carga es indispensable para la aparición de esta fuerza. Así, cuando un
conductor de longitud L por el que circula una corriente eléctrica I (es decir, cuando existe un
movimiento de cargas en su interior) se sitúa en el interior de un campo magnético B, actúa
sobre él una fuerza de valor:
El operador matemático producto vectorial (x) indica que la fuerza es máxima cuando la carga
se mueve perpendicularmente a la dirección del campo magnético y que es nula si se mueve
paralela a él. Esta fuerza magnética es la responsable, entre otras aplicaciones, del movimiento
de los motores eléctricos.
Experimento 3. Motores homopolares
Agustín Martín Muñoz CSIC, Madrid.
Mostramos la construcción de un modelo de motor homopolar, uno de los más antiguos tipos de motores
eléctricos. Se caracterizan porque el campo magnético del imán mantiene siempre la misma polaridad
(de ahí su nombre, del griego homos, igual), de modo que, cuando una corriente eléctrica atraviesa el
campo magnético, aparece una fuerza que hace girar los elementos no fijados mecánicamente. En el
sencillísimo motor homopolar colgado (Schlichting y Ucke 2004), el imán puede girar libremente
mientras que el cable está fijo. El modelo que presentamos a continuación no permite girar al imán, y sí
al cable (Featonby 2006). Necesitamos un imán cilíndrico de pequeño diámetro de neodimio-hierro-boro
(potentes y asequibles), una pila y un cable de cobre rígido, sin aislamiento, doblado como se ve en la
figura 1a. Por estabilidad de la estructura, hemos usado un imán mayor como base de todo el conjunto,
pero serviría igual una pieza de hierro. El diámetro del bucle inferior debe ser sólo ligeramente superior
al del imán, de modo que exista un compromiso entre buen contacto eléctrico y poco rozamiento.
Cuando colocamos todos los elementos como se ve en la figura 1b, el cable de cobre comienza a girar
alrededor de la pila y del imán.
Figura 1. (a) Elementos del motor. (b) Configuración de funcionamiento.
El funcionamiento se basa en la fuerza que aparece sobre una carga en movimiento al atravesar un
campo magnético (figura 2). Las líneas de fuerza del campo magnético del imán son verticales,
perpendiculares a la mesa. La pila forma, con el cable y el imán, un circuito eléctrico por el que circula
una corriente cuando el bucle inferior del cable hace contacto con el imán. Dicha corriente es siempre
ortogonal al campo magnético, lo que da lugar a un torque sobre el cable respecto del imán, que es el eje
de giro. Da igual que las dos ramas del cable se enrollen en el mismo sentido o en sentidos opuestos,
puesto que la corriente llevará siempre dirección radial en el imán. De hecho, ni siquiera hace falta bucle
alrededor del imán, basta con que haya contacto cable-imán. Cuanto mejor sea este contacto, mayor será
la corriente y podremos llegar a apreciar un notable calentamiento del cable debido al efecto Joule. Las
orientaciones del imán o la pila no son relevantes, pues si se invierte la polaridad de alguno de ellos el
giro sería en sentido opuesto. Si cortamos una de las ramas del cable, por ella no circulará corriente,
pero sí por la otra, de manera que seguiremos teniendo torque del cable respecto del imán y nuestro
motor también funcionará. Cambiando la pila o el imán, o variando las características del cable de cobre
(grosor, geometría etc.), podemos modificar la velocidad de giro. Las aplicaciones prácticas de nuestro
motor están limitadas por la potencia que puede suministrar la pila pero, además de la evidente utilidad
didáctica, se podría pensar en usarlo, por ejemplo, como dispositivo para mover un expositor giratorio
donde no haya posibilidad de enchufar un motor convencional y no dispongamos de células solares.
Figura 2.- Esquema del motor, con las direcciones del
campo magnético, de la corriente (se mueven las cargas
negativas) y de la fuerza. A la derecha se muestra una
vista superior suponiendo que la pila es transparente. Los
círculos con un punto en el centro indican que el sentido
de los vectores es hacia fuera del papel, y con una cruz
indican que el sentido es hacia dentro del papel.
REFERENCIAS
FEATONBY, D. (2006). Inspiring experiments
exploit strong attraction of magnets, Physics
Education, 41, 292-295
SCHLICHTING, H. J. AND UCKE, C. (2004). A
fast, high-tech, low cost electric motor
construction. Physik in unserer Zeit, 35, 272-273. Versión en inglés en
http://www.fysikbasen.dk/Referencemateriale/PDFartikler/Unipolarmotor_English
Campo magnético creado por una corriente eléctrica
El segundo vínculo fundamental entre la carga eléctrica y el campo magnético es el siguiente:
Una corriente eléctrica produce un campo magnético.
Experimento 4. Experimento de Oersted
Hemos repetido la experiencia realizada por el físico danés Hans Christian
Oersted (1777-1851), quien encontró que una brújula se desviaba cuando se
encontraba próxima a un hilo conductor por el que pasaba una corriente eléctrica. Esta desviación
implica la existencia de un campo magnético en la región vecina al conductor.
Inducción Electromagnética
La inducción electromagnética es el fenómeno responsable de la producción de una fuerza
electromotriz en un cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un cuerpo móvil
respecto a un campo magnético estático. Si dicho cuerpo es conductor, se generan en él
corrientes eléctricas inducidas. El sentido de estas corrientes es tal que generan un campo
magnético que trata de oponerse a aquel que las ha producido.
La inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual operan
transformadores, motores, generadores y muchas otras máquinas eléctricas.
Experimento 5. La flauta mágica
Material:
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1 tubo de cobre (longitud aproximada: 500 mm)
1 tubo de plástico
1 bola de acero
1 imán de neodimio-hierro-boro en forma de bola
Consigue dos bolas metálicas de similares dimensiones. Una de
ellas debe ser una bola de acero inoxidable (se puede obtener del
juego GEOMAG®) y otra debe ser un imán de neodimio-hierroboro con forma esférica. Deja caer la bola de acero dentro de un
tubo de cobre. Observa la velocidad a la que cae.
Deja caer ahora la bola-imán dentro del tubo. Debido a las
corrientes inducidas en el tubo por el imán en movimiento, la
velocidad de caída es menor que en el caso de la bola de acero.
El experimento puede realizarse también tomando un tubo de
cobre en el que, a modo de flauta, se han hecho unos orificios en
toda su longitud. De esta forma se puede observar visualmente la caída de las dos bolas.
Repite el experimento utilizando un tubo de plástico, y observa que la velocidad de
caída es prácticamente idéntica para ambas bolas.
Experimento 6. La batidora electromagnética
En un recipiente con un poco de agua coloca un molde de aluminio, que es un material
conductor de la corriente eléctrica pero que no tiene propiedades magnéticas (no es
atraído por los imanes). Por otra parte construye una batidora electromagnética, que está
formada por un taladro de mano en cuyo mandril se coloca una varilla, que a su vez va
unida a un imán. El taladro de mano permite girar el imán dentro del molde de aluminio,
sin tocar sus paredes. El campo inducido en el aluminio por el giro del imán tiende a
acoplarse con el de éste último y el molde gira sobre el agua en el mismo sentido que lo
hace el imán.
También se puede sustituir la varilla con el imán por un tornillo al que se le ha acoplado
un trozo de madera o plástico en su parte inferior, para demostrar que el efecto de
inducción sólo se produce cuando existe un movimiento relativo entre un campo
magnético y un conductor.
Si se sustituye el molde de aluminio por otro en el que se han hecho unos cortes
verticales, las corrientes inducidas se producen en segmentos muy cortos del conductor
y el campo magnético inducido es muy poco intenso, por lo que no se observa su
acoplamiento con el campo del imán.
Levitación magnética
El fenómeno de levitación magnética tiene lugar cuando se ejerce una fuerza de
repulsión sobre un objeto que es lo suficientemente intensa como para equilibrar
su propio peso. En este fenómeno se basa el funcionamiento de los trenes de
levitación magnética, también conocidos como maglev Este tipo de trenes levita
unos diez centímetros sobre las vías debido a las fuerzas de interacción entre los
campos magnéticos producidos en los imanes situados en el tren y en los raíles.
Al levitar, el tren puede desplazarse sin que haya ningún contacto con las vías, con lo cual se
disminuye el rozamiento, lo que le permite alcanzar velocidades muy elevadas. Los materiales
superconductores también pueden producir levitación. Sin embargo, no es necesario utilizar
materiales tan especiales como los superconductores para poder observar este efecto y nosotros
lo vamos a conseguir utilizando unos sencillos imanes permanentes.
Experimento 7. Los imanes flotantes
Material: Imanes anulares Lápiz para insertar imanes
Inserta varios imanes anulares en un lápiz o bolígrafo liso y mantén el conjunto en
posición vertical. Si se enfrentan los mismos polos de los imanes se observa que éstos
levitan unos sobre otros, debido a que los polos idénticos se repelen.
Ladea el lápiz con los imanes insertados, despacio. Observarás que los imanes tienden a
separarse, ya que la componente de su peso que sigue el eje del lápiz (que es la dirección en la
que la fuerza de repulsión magnética es mayor y constante) es cada vez menor al perder la
verticalidad.
Experimento 8. Frenos eléctricos.
En este experimento se muestra un
dispositivo creado a partir de un
disco duro de ordenador en el que se
ha reemplazado el disco metálico por
un disco de aluminio. Sobre el disco,
a pocos milímetros del mismo se
coloca un imán que está unido a un
balancín.
Si
se
pone
en
funcionamiento
el
disco,
las
corrientes inducidas en el aluminio
por el campo magnético del imán
crean un campo que se opone al del imán y éste tiende a elevarse, como si fuera repelido
por el disco. Una vez que se para el disco el efecto desaparece. Se repite la experiencia
con otro disco de material no conductor, para comprobar que no se produce el efecto.
El sistema del experimento anterior también puede utilizarse para observar cómo un
campo magnético puede parar el movimiento del disco de aluminio. Mientras el disco
está girando, se acerca el imán del balancín a pocos milímetros de su superficie. El disco
puede llegar a pararse por completo. En este efecto se basa el funcionamiento de los
frenos eléctricos que se utilizan generalmente en vehículos pesados.
Experimento 9. El rifle de Gauss.
Un conjunto de imanes colocados sobre un riel y unas bolas de
acero se utilizan a modo de acelerador magnético lineal. La
primera bola se acerca rodando despacio al primer imán. Debido a
la fuerza que el imán ejerce sobre la bola ésta se va acelerando
hasta que lo golpea por uno de sus extremos. El movimiento de
esta bola es transmitido por el imán a otras dos bolas colocadas
junto a él en el extremo opuesto. Esta transferencia de energía
cinética es tal que la segunda de estas bolas es capaz de vencer la atracción que la unía al primer imán y
moverse con una mayor aceleración hacia un segundo imán, debido a la fuerza que éste ejerce sobre la
bola. La energía cinética de esta segunda bola es mucho mayor que la de la bola que golpeó al imán
anterior. El proceso se repite a lo largo de la línea de imanes y bolas colocados sobre el riel. La última
bola de la cadena sale disparada del riel con una velocidad mucho mayor que la que tenía la primera de
las bolas, debido a la ganancia de energía cinética que se ha ido acumulando en cada paso.