MAGNETISMO: - concepto IMAN: - concepto - clases
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MAGNETISMO: - concepto IMAN: - concepto - clases - formas de imantación - partes - propiedades - campo magnético: - concepto - líneas de fuerza del campo magnético: - propiedades de las líneas de fuerza - espectro magnético - causas del magnetismo - campo magnético terrestre ELECTROMAGNETISMO: - concepto - fuerza que el campo magnético ejerce sobre una carga móvil. - fuerza ejercida por el campo magnético sobre una corriente - efectos magnéticos de la corriente eléctrica: - campo de una corriente rectilínea - campo de un solenoide - los electroimanes: - concepto - partes - aplicaciones - generadores de corriente: - concepto - clases: - dinamos - altenadores - motores eléctricos: - concepto - partes - aplicaciones MAGNETISMO: Propiedad de algunas sustancias, como la magnetita, de atraer a otras, como al hierro o al acero. IMÁN: Cuerpo con propiedades magnéticas. - Clases de imanes: - naturales: poseen magnetismo por su naturaleza o composición (magnetita). - artificiales: han adquirido propiedades magnéticas en un momento determinado (hierro, acero, níquel) Los imanes artificiales, a su vez, pueden ser: - permanentes: no pierden sus propiedades magnéticas una vez que las han adquirido. - temporales: pierden sus propiedades magnéticas en un momento determinado. Formas de imantación: Algunos materiales como el hierro, acero, níquel se pueden imantar por diversos procedimientos: frotamiento: frotando el cuerpo a imantar con un imán contacto: poniendo en contacto el imán con el cuerpo a imantar inducción: acercando el objeto a un imán por medio de la corriente eléctrica: haciendo circular la corriente eléctrica alrededor del cuerpo a imantar. - Partes de un imán: - polos: zonas del imán donde se manifiestan las propiedades magnéticas con mayor intensidad (los extremos del imán). Si dejamos girar libremente un imán se orienta de forma que el polo norte del imán señala el norte terrestre y el polo sur señala el sur terrestre. - zona neutra: parte central del imán donde no se manifiestan propiedades magnéticas. Propiedades de los polos de un imán polos magnéticos del mismo signo se repelen. polos magnéticos de signo contrario se atraen. no existen polos aislados, si se rompe un imán en dos partes se forman dos nuevos imanes cada uno con su polo norte y su polo sur aunque disminuya la fuerza magnética. CAMPO MAGNÉTICO Es la zona donde un cuerpo imantado ejerce su influencia magnética mediante fuerzas de atracción o repulsión. Recuerda que las fuerzas se representan por vectores (segmentos orientados Vector inducción magnética ) Un campo magnético queda definido por unas líneas de fuerza que se llaman líneas de inducción magnética. Estas líneas son tangentes en cualquier punto a un vector llamado vector inducción magnética o inducción magnética (B). Por tanto a cada punto del campo le corresponde un vector llamado vector inducción magnética (representado por la letra B) tal que: a) su dirección viene determinada por la que tiene la aguja imantada b) su sentido es el que corresponde del extremo norte al extremo sur de la aguja. c) su módulo o intensidad lo determina la intensidad del campo. La inducción magnética varía de un punto a otro del campo y para medirla en el S.I. se utiliza la tesla (T) que definiremos más adelante. Cuando el vector inducción magnética tiene la misma dirección, el mismo sentido y el mismo módulo en todos sus puntos decimos que es uniforme. En este caso las líneas de inducción son rectas paralelas. Propiedades de las líneas de fuerza Su dirección viene determinada por la que toma la aguja imantada situada en ese punto del campo eléctrico. El sentido fuera del imán salen del polo norte y penetran por el polo sur. Son continuas, por tanto dentro del imán van del polo sur al polo norte. Su módulo o intensidad lo condiciona la intensidad del campo. La mayor o menor concentración de líneas indica la mayor o menor intensidad del campo magnético en ese punto. Espectro magnético de un imán Es la representación de las líneas de fuerza en el campo magnético creado por un imán. CAUSAS DEL MAGNETISMO Los electrones son la causa tanto del magnetismo como de la electricidad. El movimiento de los electrones alrededor del núcleo origina Las limaduras de hierro se orientan en diminutos imanes. el campo magnético del imán formando En el hierro cada átomo viene a ser un imán elemental. el espectro magnético Pero no todos los cuerpos de hierro atraen las limaduras de hierro, acero o níquel. Esto se debe a que los imanes elementales o atómicos están desordenados y el efecto magnético de unos electrones se anula con el de otros. Cuando los imantamos, mediante uno de los procesos de imantación, lo que hacemos es orientarlos todos en la misma dirección y sentido con lo que se suman las acciones de todos los imanes elementales y el cuerpo adquiere propiedades magnéticas. EL MAGNETISMO TERRESTRE Una aguja magnética que no esté sometida a la influencia de ningún imán o campo magnético tiende a orientarse en la dirección N-S terrestre. Esto indica que la Tierra se comporta como un gigantesco imán y crea a su alrededor un campo magnético. Campo magnético terrestre: es la zona de influencia magnética creada por la Tierra a si alrededor llamada magnetosfera. El polo norte magnético de la Tierra no coincide con el norte geográfico. Por lo tanto la brújula no marca exactamente el Norte geográfico sino una dirección aproximada. El ángulo que forman el meridiano geográfico con el magnético en un lugar se llama ángulo de declinación magnética. Por otro lado una aguja imantada no permanece paralela a la superficie terrestre (excepto en el Ecuador) sino que forma un ángulo con la horizontal llamado ángulo de inclinación magnética. Este ángulo aumenta a medida que nos acercamos a los polos magnéticos siendo en ellos de 90ºEl origen del campo magnético terrestre se atribuye a la rotación del núcleo metálico que existe en el centro de la Tierra compuesto de hierro y níquel (NIFE). Las brújulas son aparatos formados por una aguja imantada que miden la declinación o inclinación magnética en un punto determinado de la superficie terrestre. Brújula de declinación magnética: indica el ángulo que forman el meridiano magnético y el geográfico en un punto determinado de la superficie terrestre. Brújula de inclinación magnética: indica el ángulo que forman las líneas del campo magnético terrestre con la horizontal en un punto determinado. ELECTROMAGNETISMO El electromagnetismo estudia la relación entre la electricidad y el magnetismo. El magnetismo y la electricidad están íntimamente relacionados. En 1.819 Oersted realizó una serie de experimentos demostrando que “que la corriente que circula por un conductor crea un campo magnético alrededor del conductor” al observar que una aguja magnética paralela a un conductor giraba hasta situarse perpendicularmente al mismo cuando por él circulaba una corriente eléctrica. Este experimento demuestra que la corriente eléctrica se comporta como un verdadero imán. Hay por tanto campos magnéticos que no son creados por imanes sino por el movimiento de electrones (corriente eléctrica). FUERZA QUE EL CAMPO MAGNÉTICO EJERCE SOBRE UNA CARGA MÓVIL. Un campo magnético ejerce una fuerza sobre una carga móvil situada en él. Suponiendo que el campo magnético es uniforme y perpendicular a la trayectoria de la carga, esta no modifica su velocidad pero si su dirección, describiendo una trayectoria circular. Sobre la carga actúa una fuerza perpendicular a la dirección del movimiento es decir que el campo magnético ejerce sobre la carga una fuerza deflectora (que desvía su dirección). La dirección de la fuerza ejercida sobre una carga en movimiento es perpendicular a su trayectoria y al vector de inducción magnética. El sentido se establece teniendo en cuenta la regla de la mano izquierda: Si situamos la mano izquierda en el campo de forma que el sentido del vector de inducción magnética B atraviese la palma de la mano y punto de los dedos indiquen el sentido del movimiento de la carga, el dedo pulgar indica el sentido de la fuerza. Esta regla es válida para una carga positiva. Si la carga es negativa, el sentido de la fuerza será el contrario. Al observar experimentalmente como es la fuerza que un campo B ejerce sobre una carga eléctrica se cumple que: Si la carga esta en reposo, el campo B no ejerce ninguna fuerza sobre ella. La fuerza es máxima cuando la velocidad de la carga v y el campo B son perpendiculares y es nula cuando son paralelos. La fuerza es perpendicular al plano formado por v y B. La fuerza es proporcional al valor de la carga q y a la velocidad v. Si la carga cambia de signo la fuerza cambia de sentido Resumiendo todos estos hechos se concluyen que la fuerza que una campo B ejerce sobre una carga eléctrica q que se mueve con una velocidad v viene dada por la expresión: F=q · v · B UNIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO A partir de la fórmula de la fuerza que un campo magnético ejerce sobre una carga eléctrica podemos deducir la unidad de campo magnético B. La unidad de B será: Esta unidad se llama tesla (T) Un campo posee una inducción de una tesla cuando al moverse perpendicularmente a él la carga de 1C a la velocidad de 1 m/s ejerce sobre ella la fuerza de 1 N Otra unidad de campo que se utiliza es el gauss (G). La relación con la tesla es: 1 T = 104 G FUERZA EJERCIDA POR EL CAMPO MAGNÉTICO SOBRE UNA CORRIENTE Un conductor puede ser un cable o alambre por el cual circula una corriente eléctrica. Una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre por el que circula una corriente eléctrica. Las características de la fuerza, en el caso más sencillo de que el conductor y el campo sean perpendiculares son: a) dirección: perpendicular al conductor y al campo eléctrico b) sentido: es válida la misma regla dada para una carga (regla de la mano izquierda) pero en lugar de hablar de sentido de la carga hablaremos del sentido de la corriente. c) intensidad: la intensidad de la fuerza es directamente proporcional a la intensidad de la corriente (i), que recorre el conductor, a su longitud (l) y la intensidad del campo magnético (B). Expresada matemáticamente resulta: F=i ·l ·B La fuerza que el campo magnético ejerce sobre la corriente eléctrica tiene gran aplicación práctica (ej: amperímetros, motores, …) CAMPO CREADO POR UNA CORRIENTE RECTILÍNEA Las líneas de inducción del campo creado por una corriente eléctrica rectilínea se observa espolvoreando limaduras de hierro en una cartulina atravesada por un conductor rectilíneo. Al circular la corriente se agrupan en líneas circulares y concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de fuerza se utiliza la regla de la mano derecha. Al señalar el pulgar el sentido de la corriente, los demás dedos indican el sentido de las líneas de campo. El módulo de B en un punto del campo (A) es directamente proporcional a la intensidad (I) de la corriente que circula por el conductor el inversamente proporcional a la distancia (d) que lo separa del conductor, por una constante (K). Siendo CAMPO CREADO POR UN CONDUCTOR CIRCULAR O ESPIRA Podemos considerar la espira como un imán. Así, la cara de la espira que mira hacia nosotros corresponde al polo norte de dicho imán (por ahí emergen, desde la espira, líneas del campo magnético), mientras que la cara opuesta (detrás) corresponde al polo sur del imán (por ahí entran al plano de la espira las líneas del campo magnético). Características del vector inducción: - dirección: perpendicular al plano de la espira. sentido: el sentido del vector B es el del giro de un sacacorchos que avanza en el sentido de la corriente (también podemos aplica la regla de la mano derecha) - el módulo o intensidad de la inducción magnética, es diferente en cada punto que rodea a la espira y en el punto medio de ella se calcula con la expresión: B = módulo o intensidad (valor) del vector de inducción magnética. μ = permeabilidad magnética (permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos) I = intensidad de la corriente R = radio de la espira La cara norte de una corriente circular, considerada como un imán es aquella de donde salen las líneas de fuerza y la cara sur aquella a donde llegan dichas líneas. La relación entre la polaridad magnética de una espira y el sentido de la corriente que circula por ella se establece por la regla de la mano derecha de la que se deriva que la cara norte es en la vemos circular la corriente de derecha a izquierda (sentido antihorario) y la cara sur de izquierda a derecha (sentido horario). CAMPO CREADO POR UN SOLENOIDE Un solenoide es un conductor de corriente eléctrica arrollado en espiral. Si espolvoreamos con limaduras de hierro el campo creado por un solenoide vemos que las líneas del campo son paralelas al solenoide en la parte interior y se cierran exteriormente. Según el espectro magnético comprobamos que en el interior de un solenoide existe un campo magnético uniforme: la dirección, sentido y la intensidad del vector B son idénticos en cada punto. Un solenoide se comporta como un imán. Características del campo creado en el interior del solenoide: - dirección: perpendicular al plano de la espira - sentido de las líneas de inducción: el sentido del campo lo podemos determinar por el sentido de giro de un sacacorchos para que avance en el sentido de la corriente (ley de sacacorchos). En el exterior es semejante al creado por un imán rectangular. - La intensidad de inducción magnética en el interior del solenoide viene dada por la fórmula: B = 4 π · 10 · n · I B = intensidad la inducción magnética en teslas. n = número de espiras por metro. I = intensidad en amperios. ELECTROIMANES Si introducimos una barra de hierro dulce dentro de un solenoide al paso de la corriente el hierro se comporta como un imán temporal. Si en lugar de una barra de hierro introducimos una barra de acero obtendremos un imán permanente. Un electroimán es un imán temporal constituido por una barra de hierro dulce colocada en el interior de una bobina por la que circula corriente eléctrica. La barra de hierro dulce recibe el nombre de núcleo del electroimán. Mientras circula la corriente el hierro dulce se comporta como un imán, al cesar la corriente pierde sus propiedades magnéticas. Aplicaciones de los electroimanes - Grúas electromagnéticas - Timbres - Teléfono - Telégrafo - Motores, …. esquema de un electroimán esquema de un timbre eléctrico GENERADORES DE CORRIENTE Un generador de corrientes es un aparato capaz de producir corriente eléctrica a partir de otros tipos de energía: química (pilas, baterías o ), mecánica (alternadores, dinamos). Las pilas y los baterías o acumuladores son generadores electroquímicos que producen corriente continua porque la corriente siempre gira en el mismo sentido. Los alternadores y las dinamos son generadores electromecánicos que producen corriente alterna porque la corriente cambia continuamente de sentido. GENERADORES ELECTROMAGNÉTICOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético (imán) generaba una fuerza electromotriz o tensión y cuando el circuito se cerraba con un receptor circulaba una corriente eléctrica. Es decir comprobó con un amperímetro que se generaba una corriente eléctrica al mover el conductor por dentro del campo magnético. A esta corriente la llamo corriente inducida. Si en lugar de mover el conductor movemos el campo magnético (el imán) también se generaba corriente eléctrica. En este experimento también se comprobó que cuanto más rápido cortaba las líneas del campo magnético, el conductor, se creaba mayor corriente eléctrica inducida en él y además cuando la dirección del conductor era contraria (bajaba o subía por el campo magnético) la corriente generada era en sentido contrario. Lógicamente si el cable estaba parado no se genera corriente. Este descubrimiento fue lo que dio lugar a los generadores eléctricos electromagnéticos (dinamos y alternadores). Si en lugar de un conductor colocamos un espira girando dentro del campo magnético, en lugar de un conductor ahora tenemos dos conductores en forma de espira (cada uno de los lados de la espira como se aprecia en la figura de más abajo) cortando el campo magnético. Por un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es en el sentido contrario (una espira sube por el campo magnético y la otra baja) es decir generamos una corriente eléctrica que se mueve alrededor de la espira. Cuando un lado de la espira está justo en el medio del campo magnético, el conductor no corta líneas de campo, y esto hace que en ese punto no se genere corriente.: La gráfica de una vuelta completa de la espira generaría la siguiente señal eléctrica DINAMO Para conseguir sacar la corriente generada en la espira, colocamos unos colectores que giren con cada uno de los extremos de la espira y unas escobillas fijas por donde sacamos la corriente. Si nos fijamos en los colectores estos están cortados. El motivo es para que por fuera de la espira la corriente siempre vaya en el mismo sentido (corriente continua). Gracias al colector por fuera de la espira la corriente siempre tiene el mismo sentido generando corriente continua. ALTENADORES ELÉCTRICOS Giremos mentalmente la espira y analicemos que si los colectores fueran anillos completos (sin cortar) la corriente por fuera de la espira saldría por la escobilla (fija sin moverse) en un sentido y cuando la espira gira media vuelta saldría por el sentido contrario, es decir estaríamos generando corriente alterna, y no sería una dinamo sería un alternador (generador de corriente alterna). Esto lo podemos ver en el dibujo de abajo en alternador. MOTOR ELÉCTRICO Los motores son aparatos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Si en lugar de un conductor tenemos una espira por la que circula corriente, es como si tenemos 2 conductores enfrentados, un lado de la espira sube y el otro baja, ya que por un lado la corriente entra y por el otro lado de la espira la corriente sale, produciéndose un giro de la espira. En este caso el imán es fijo (estator) y el rotor (parte giratoria) sería la espira o el bobinado, es lo más común. Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica. Entonces solo sería necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico. Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tiene muchas espiras llamadas bobinado (de bobinas) en el rotor (parte giratoria) y un imán grande llamado estator colocado en la parte fija del motor alrededor del rotor. El rotor está unido a un eje formando un solo cuerpo con unas láminas de hierro dulce (inversor o colector), aisladas entre sí y soldadas al extremo de la bobina. Las escobillas son dos láminas metálicas conectadas a los bornes del motor y que hacen el contacto con el colector Funcionamiento La bobina o rotor, al ser recorrida por la corriente eléctrica, gira hasta ponerse perpendicularmente a la línea imaginaria que une los dos polos del imán (estator), arrastrando al inversor o colector en su giro. Cuando el conjunto bobina-inversor ha girado 180o, las escobillas ya no tocan las mismas láminas, lo cual provoca el cambio de sentido de la corriente en la bobina. La bobina es rechazada de nuevo y sufre otro giro de 180o hasta presentar las caras adecuadas a los polos del imán. Entonces las escobillas producen una nueva inversión del sentido de la corriente y el ciclo se repite indefinidamente mientras circula corriente por la bobina. CUESTIONES Y PROBLEMAS CUESTIONES 1. ¿Cómo se puede averiguar con una brújula sin por un hilo conductor circula una corriente eléctrica? 2. Si tienes dos barras de hierro, una imantada y la otra no. Sin emplear otros cuerpos que las dos barras ¿cómo averiguar cuál de las dos es la imantada? 3. ¿Tienen principio y fin las líneas de fuerza de un campo magnético? 4. Las líneas de fuerza del campo magnético originado por un imán ¿van del polo norte al sur, o del polo sur al polo norte? 5. Si la intensidad de un campo magnético fuera la misma en todos sus puntos ¿cómo serían las líneas de fuerza? ¿Cómo se llamaría el campo? 6. Si suspendemos por su centro de gravedad una aguja imantada: a) ¿qué dirección tendría en el caso de encontrarnos en el ecuador? b) ¿y si nos encontráramos en uno de los polos? 7. El polo norte de un imán atrae la cabeza de un tornillo, convirtiéndolo momentáneamente en imán ¿qué polo estará situado en la punta del tornillo? 8. El tendido de una línea eléctrica tiene la dirección norte-sur ¿qué dirección tomará una aguja imantada colocada en las proximidades de los cables? 9. Al hacer pasar una corriente eléctrica por un circuito, una aguja imantada gira de modo que su polo norte se dirige hacia la izquierda ¿qué tienes que hacer para que el giro del polo norte sea hacia la derecha? 10. Cuando en las proximidades de un conductor hay una aguja imantada, al hacer pasar la corriente por el conductor, la aguja se desvía tendiendo a ponerse perpendicular al mismo. ¿de qué depende que esta desviación sea mayor o menor? 11. Si tienes un generador y una bobina ¿qué te hace falta y qué harías para construir un imán permanente? 12. Dibuja el esquema de un electroimán y pon el nombre correspondiente a cada una de sus partes. 13. Dibuja el esquema de un timbre eléctrico en el instante en que suena y en otro instante en que no suena. 14. Con un imán y una bobina, ¿cómo podrías producir corriente eléctrica? 15. Haz un esquema de cómo se produce corriente eléctrica en un imán y una bobina. Coloca en el circuito un galvanómetro. 16. ¿Qué le sucede a la aguja de un galvanómetro conectada a una bobina cuando se hace girar un imán en las proximidades de la bobina? 17. ¿Cómo conseguirás aumentar la intensidad de la corriente que circula por una bobina al hacer girar un imán frente a ella? 18. ¿Qué es una corriente alterna? 19. ¿Qué es un generador de corriente? 20. ¿Qué es un alternador? 21. Haz un esquema de un alternador poniendo el nombre a sus partes esenciales 22. ¿Qué son los motores eléctricos? 23. ¿Cuál es el fundamento de los motores eléctricos? 24. Escribe las partes esenciales de un motor 25. ¿Qué elemento del motor consigue que la corriente cambie de sentido en la bobina? 26. ¿Qué son las escobillas del motor? ¿para qué sirven? 27. Dibuja el esquema de un motor eléctrico con una bobina de una sola espira. 28. ¿En qué dirección debe moverse una carga eléctrica dentro de un campo para que no se ejerza fuerza sobre ella? 29. Supongamos que una corriente de electrones barre esta página entrando por la derecha. Si se aplica un campo magnético desde el suelo hacia el techo. ¿hacia dónde se desplazarán los electrones? PROBLEMAS 1. Calcular la fuerza que ejerce un campo de 1 T sobre una carga de 5 C que se mueve perpendicularmente al campo con una velocidad de 100 m/s 2. Calcula la inducción magnética creada por una corriente rectilínea indefinida de 5 A de intensidad, en un punto situado a 10 cm de ella. 3. Un electrón penetra normalmente en un campo magnético uniforme de 0,0015 T. Su velocidad es de 2 · 106 m/s Calcula la fuerza que el campo ejerce sobre el electrón. 4. Calcula la intensidad de la corriente que circula por un conductor rectilíneo, sabiendo que el campo magnético creado por ella a 1 cm de distancia es de 2 · 10-4 T 5. Un electrón viaja a 200 km/s Calcula el valor del vector inducción magnética en un punto situado a 1 cm de distancia de su trayectoria cuando la partícula pase frente a dicho punto. 6. Un solenoide circular de 100 espiras/metro es recorrido por una corriente de 2 A. ¿cuál es el valor del campo en su interior? 7. Un solenoide de 6 cm de longitud y 42 espiras es recorrido por una corriente de 2 A ¿cuál es el valor del vector inducción en su interior? 8. Un electrón que se desplaza con una velocidad de 100.000 km/s se dirige perpendicularmente a un hilo recto indefinido. Calcular la fuerza que actúa sobre él cuando está a 2 cm del hilo, si la intensidad de la corriente que circula por éste es de 10 A.
