MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA ACTIVIDADES: MAGNETISMO Durante el Taller de Magnetismo abordaremos el concepto de campo magnético y fuerza magnética, pondremos en evidencia la interrelación entre los fenómenos magnéticos y eléctricos, analizaremos las distintas fuentes de campos magnéticos y, a su vez, discutiremos aplicaciones del magnetismo en el ámbito profesional. A lo largo del encuentro realizaremos experiencias mostrativas que actuarán como disparadores de los contenidos a discutir y pondremos en acción los contenidos mediante el uso de simuladores. Finalmente, como actividad complementaria e instancia de integración y contextualización profesional, se embarcarán en la búsqueda bibliográfica de aplicaciones basadas en fenómenos magnéticos y elaborarán de forma colaborativa una breve explicación del fundamento de cada aplicación. A continuación encontrarán el detalle de las actividades propuestas. OBJETIVO GENERAL ● Observar fenómenos magnéticos. ● Discutir cómo se origina el magnetismo y cómo se dan sus interacciones. ● Analizar aplicaciones basadas en fenómenos magnéticos y contextualizar su importancia tecnológica y social. EXPERIENCIAS MOSTRATIVAS DE MAGNETISMO 1. Materiales con propiedades magnéticas Objetivos Analizar las características de materiales con propiedades magnéticas. Evidenciar la existencia de polo norte y sur en los imanes. Visualizar la manifestación de fuerzas de la atracción y repulsión entre los imanes. Discutir el funcionamiento de una brújula. Materiales Imanes y Brújula. Procedimiento 1. Tomar un imán y observar qué sucede al acercarlo a distintos objetos que estén a tu alcance. MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 2. Colocar un imán sobre la mesada. Luego colocar un segundo imán también sobre la mesada y acercar el polo S al polo N del primer imán. 3. Repetir este procedimiento, pero ahora acercar el polo N al polo N del primer imán. ¿Qué sucede? 4. Acercar la brújula a los polos de los distintos imanes 5. Unir una serie de imanes en cadena. Discutir ¿Conocen materiales con propiedades magnéticas? ¿Cuáles? ¿Cómo está constituído un imán?¿Qué propiedades presenta para comportarse como tal? ¿Qué se observa cuando se acercan dos imanes? ¿Y cuando se cambia la posición de uno de ellos? Discutan el fenómeno observado. ¿Cómo explican la formación de una cadena de imanes? ¿A qué puede atribuirse la unión de los mismos? ¿Cómo está constituída una brújula? ¿Cómo funciona? En ausencia de imanes ¿qué indica? ¿Cómo identificaron los polos del imán con la brújula? ¿Todo imán tiene necesariamente un polo norte y un polo sur? Y si se parte el imán al medio ¿podrán separarse ambos polos? 2. Líneas de campo magnético Objetivos Introducir al concepto de campo magnético a través de la visualización en 2D y 3D de las líneas de campo que se producen entre dos imanes. 2a. Líneas de campo en 3D Materiales Imanes Tubo plástico con vaselina líquida y limaduras de hierro Procedimiento PRECAUCIONES: Utilicen guantes para evitar el contacto de sus manos con las limaduras de hierro. Asegúrense de mantener limpias sus manos, no toquen sus ojos. Eviten el contacto del imán con las limaduras porque dificultará su separación. MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 1. Resuspender las limaduras de hierro mezclando por inversión el tubo de plástico. Acercar dos imanes rectos a cada lado del tubo, de manera que queden con los polos opuestos enfrentados diametralmente 2. Observar cómo se ubican las limaduras de hierro dentro de la botella. 3. Repetir la experiencia pero colocando ahora los imanes con los polos iguales enfrentados diametralmente. 4. Acercar un imán recto a un lado del tubo. Observar las limaduras. 5. Acercar un imán en forma de herradura a un lado del tubo. Observar las limaduras. 6. Esquematizar el fenómeno observado para cada situación Discutir ¿Qué fenómeno se pudo evidenciar a través de esta experiencia? ¿Qué características poseen los materiales utilizados para llevarla a cabo? ¿Tendrán las limaduras de hierro alguna similitud en su comportamiento con la brújula utilizada? ¿Cómo explica la posición espacial que adquirieron las limaduras de hierro en cada caso? 2b. Líneas de campo en 2D con distintos imanes Materiales Materiales Hojas de papel Limaduras de hierro (producidas frotando una esponja metálica) Lápiz Imanes de distinta forma (recto y en herradura) Procedimiento 1. Colocar el imán sobre la mesada. 2. Colocar una hoja de papel blanco sobre el imán. 3. Dejar caer, de manera homogénea, las limaduras de hierro sobre la hoja. 4. Observar cómo se orientan las limaduras y dibujar las líneas de campo. 5. Repetir la experiencia para los distintos imanes. Discutir ¿Cómo se ubican las limaduras de hierro cuando cambia la forma del imán utilizado? ¿Qué diferencias y similitudes evidencian en las líneas de campo magnético en cada caso? ¿Encuentra alguna similitud o diferencia entre la representación de las líneas de campo eléctrico y las líneas de campo magnético? MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 3. Dipolos magnéticos Objetivo Comprobar experimentalmente la existencia de dipolos magnéticos. Materiales Hoja de papel Limaduras de hierro (producidas frotando una esponja metálica) Imán recto Imán recto cortado en mitades iguales Lápiz Brújula Procedimiento 1. Colocar el imán sobre la mesada. 2. Colocar una hoja de papel blanco sobre el imán. 3. Dejar caer, de manera homogénea, las limaduras de hierro sobre la hoja. 4. Observar cómo se orientan las limaduras y dibujar las líneas de campo. 5. Con ayuda de la brújula determinar los polos del imán y marcarlos norte “N” o sur “S” según corresponda. 6. Tomar el imán cortado en dos mitades iguales que le proporcionará el equipo docente y, con ayuda de un imán marcado, determinar los polos de cada una de las mitades del imán 7. Colocar una de las mitades del imán sobre la mesada. 8. Colocar una hoja de papel blanco sobre el fragmento del imán. 9. Dejar caer, de forma homogenea, las limaduras de hierro sobre la hoja. 10. Observar cómo se orientan las limaduras y dibujar las lineas de campo. 11. Repetir nuevamente la experiencia con la otra mitad y dibujar las líneas de campo. Discutir ¿Cómo se disponen espacialmente las limaduras de hierro cuando se coloca por debajo del papel la mitad del imán inicial? ¿Qué pueden concluir? ¿Qué conclusión obtuvieron al observar la disposición de las limaduras luego de cortar el imán sucesivas veces? 4. Experiencia de Öersted Objetivos MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA Evidenciar fenómenos de inducción electromagnética a través de la reproducción del experimento de Öersted. Comprobar que la circulación de corriente eléctrica genera un campo magnético. Materiales Brújula Cable conductor Fuente de corriente continua Procedimiento 1. Acercar la brújula por la izquierda cable conductor de la izquierda, prestando atención a que la fuente se encuentre apagada 2. Registrar la posición de la aguja de la brújula.. 3. Encender la fuente de corriente continua 4. Observar qué ocurre con la aguja imantada de la brújula. 5. Registrar la posición de la aguja y compararla con su posición inicial. 6. Repetir la experiencia, acercando la brújula por la derecha del conductor de la derecha. 7. Repetir la experiencia entera, pero esta vez intercambiando la posición de los conectores de los conductores. Discutir ¿Cómo pueden explicar el fenómeno observado? ¿Cuál es la relación entre la brújula y el circuito a través del cual circula corriente eléctrica? ¿Qué sucede con la aguja de la brújula cuando se acerca al conductor de la izquierda? ¿Y cuando se acerca al conductor de la derecha? ¿Qué observan cuando se cambian de lugar los conectores? ¿Cómo explican estos fenómenos? SIMULACIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS Objetivos ● Analizar campos magnéticos generados por imanes permanentes y electroimanes. Analizar los parámetros que afectan al campo magnético. Materiales MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA Trabajaremos con el simulador Laboratorio electromagnético de Faraday de la Universidad de Colorado, EEUU. Para esta actividad usaremos las solapas Barra imantada y Electroimán. 1. Barra imantada En la mesa de trabajo encontrarán un imán, con sus polos indicados. Pueden mover al imán arrastrándolo. A la derecha cuentan con las opciones de configuración del sistema. Pueden modificar la fuerza del imán (1) e invertir su polaridad (2), mostrar el campo magnético dentro (3) y fuera del imán (4), mostrar una brújula (5) y, por último, un medidor de campo (6). Procedimiento Configuración: Activar las opciones para visualizar el campo magnético dentro y fuera del imán y mostrar la brújula. Configurar la intensidad del imán en un 50%. 1. Desplacen el imán por el área de trabajo. ¿Qué representan las brújulas situadas en todo el área? 2. Inviertan la polaridad del imán. ¿Qué ocurre? ¿Cómo puede explicarse la orientación de las brújulas? MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 3. Activen el medidor de campo. Acérquenlo y aléjenlo del imán. ¿Qué observan? ¿Por qué algunas brújulas aparezcan más brillantes que otras? 4. Manteniendo en una ubicación fija al medidor de campo, cambien la intensidad del imán. ¿Qué observan? 2. Electroimán En la mesa de trabajo encontrarán un electroimán, formado un circuito eléctrico que contiene una pila (cuyo voltaje se puede seleccionar) y una espira por donde circula corriente. Pueden desplazar al electroimán arrastrándolo. A la derecha cuentan con las opciones de configuración del sistema. Pueden modificar la fuente de alimentación (seleccionando corriente continua o alterna) (1), modificar el número de vueltas de la espira (2), mostrar el campo magnético (3), mostrar una brújula (4), un medidor de campo (5) y, finalmente, mostrar los electrones que circulan por la espira (6). Procedimiento Configuración: Trabajar con las condiciones predeterminadas. 1. Observar los componentes del sistema. ¿Qué rol cumple cada uno? 2. Llevar el voltaje de la pila a cero. ¿Qué observan? ¿Por qué? 3. Cambien el voltaje de la pila ¿Qué sucede? 4. ¿Qué ocurre al invertir la polaridad de la pila? MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 5. Disminuyan el número de vueltas de la bobina. ¿Qué se observa y cómo lo explican? 6. Activen el medidor de campo. Acérquenlo y aléjenlo del electroimán ¿Qué observan? 7. Manteniendo en una ubicación fija al medidor de campo, modifiquen el número de vueltas de la espira del electroimán. ¿Qué observan? ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS Simulación de selector de velocidades Objetivo ● Analizar el comportamiento de una partícula cargada en un selector de velocidades. ● Evaluar los parámetros que afectan la trayectoria de la partícula. Materiales Para esta actividad utilizaremos un simulador Velocity Selector 1.0. Para acceder al simulador, deberán descargar la aplicación con la opción “Free Download - Download Velocity Selector 1.0”. Una vez completada la descarga, se abrirá la mesa de trabajo, que representa un selector de velocidades de un espectrómetro de masa. MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA Encontrarán dos placas (1) entre las cuales se genera un campo eléctrico. De forma implícita, un imán genera un campo magnético perpendicular al plano de la pantalla. La magnitud y el sentido de ambos campos pueden modificarse con los deslizadores “componente y del campo eléctrico” (y-component of the electric field) (2) y “componente z del campo magnético” (z-component of the magnetic field) (3). En ambos casos, el deslizador sobre la marca central indica ausencia de campo. Para el caso del campo eléctrico, deslizar “componente y del campo eléctrico” hacia la izquierda determina la aparición de un campo hacia abajo cuya intensidad puede ser graduada. Análogamente, deslizarlo hacia la derecha determina la aparición de un campo hacia arriba. Por su parte, deslizar el “componente z del campo magnético” hacia la izquierda determina la aparición de un campo magnético cruz (hacia adentro de la pantalla) y deslizarlo hacia la derecha genera un campo magnético punto (saliendo de la pantalla). A la entrada del selector de de velocidades encontrarán una partícula (4) que ingresa con movimiento rectilíneo uniforme. En relación a esta partícula, se puede modificar su masa (mass) (5), carga (charge) (6) y “velocidad horizontal inicial” (initial velocity in x-direction) (7). Las fuerzas eléctrica y magnética pueden evidenciarse marcando la casilla “mostrar fuerzas” (show forces) (8). La fuerza eléctrica se representa en violeta, y la fuerza magnética en azul. Procedimiento 1. Mantener apagado el campo magnético (z-component of the magnetic field en la posición central) e investigar el comportamiento de la partícula únicamente en presencia del campo eléctrico. Dado una magnitud y sentido del campo eléctrico, observar qué sucede con la trayectoria de la partícula al cambiar su masa, carga y velocidad inicial. Repetir para distintas condiciones de campo eléctrico. 2. Ahora apagar el campo eléctrico (y-component of the electric field en la posición central) e investigar el comportamiento de la partícula únicamente en presencia del campo magnético. De nuevo, observar el comportamiento de la partícula al cambiar su masa, su carga y su velocidad inicial. 3. Ya estamos listos para explorar qué sucede en presencia de ambos campos al mismo tiempo. Observe el comportamiento de una partícula cargada que ingresa al dispositivo. ¿Qué sucede si modificamos el campo eléctrico? ¿Y el magnético? Evalúen también el efecto de cambiar la masa, carga y velocidad inicial de la partícula sobre su trayectoria. MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 4. Intenten encontrar una condición de intensidades de campo en la que el efecto de ambos campos se compense, de forma tal que la partícula atraviese el dispositivo sin ser desviada. ¿Cuál es la relación de intensidad entre los campos aplicados? Retomando los contenidos analizados en clase, ¿puede explicar por qué? ¿Qué sucederá con la trayectoria de la partícula si varía la magnitud de su masa o de su carga? 5. Comenzando ahora con una condición en la que la partícula atraviesa la región sin ser desviada, ¿qué pasa al variar la velocidad inicial de la partícula? Describa qué sucede al aumentar y al disminuir la velocidad. Justifiquen sus observaciones. 6. Comenzando nuevamente con una condición en la que la partícula no ve modificada su trayectoria. Prediga qué sucederá si cambiamos únicamente el signo de la carga eléctrica. Contraste su predicción en el simulador. Aplicaciones del magnetismo A lo largo del Taller de Magnetismo analizamos en profundidad los fundamentos del magnetismo mediante un análisis teóricos apoyado en la interpretación de experiencias mostrativas y el uso de simuladores. En esta actividad proponemos dar un paso más en el análisis, investigando ahora ejemplos de aplicación. Existen múltiples ejemplos de fenómenos magnéticos en la naturaleza y aplicaciones del magnetismo a nivel tecnológico. Vamos a focalizarnos en ejemplos relevantes para el área bioquímica-farmacéutica. Para llevar a cabo esta actividad, se agruparán en equipos de trabajo. Cada equipo llevará adelante la investigación de un ejemplo de aplicación y elaborará de forma colaborativa un breve texto que ilustre el fundamento y detalle el campo de aplicación correspondiente. Para ello, deberán realizar una búsqueda bibliográfica en libros y web, analizar y seleccionar la información recopilada y trabajar de forma colaborativa en la elaboración del texto. Cada comisión armará un documento en Google Drive, que actuará como plataforma para que los equipos de trabajo compartan el resultado de su investigación. A modo orientativo les proponemos ejemplos de aplicación del electromagnetismo que pueden investigar: 1. Agitadores magnéticos, empleados habitualmente en los laboratorios durante la preparación de soluciones 2. “Perlas” magnéticas (magnetic beads) , en cuyo uso se basan varios métodos de separación de sustancias 3. Bacterias magnetotácticas y sus aplicaciones en biotecnología MAGNETISMO/ELECTROMAGNETISMO/CÁTEDRA DE FÍSICA/FFYB/ UBA 4. Fluidos magnéticos o ferrofluidos 5. Espectroscopías de Resonancia Magnética Nuclear de Hidrógeno 1 y de Carbono 13 (1H - RMN y 13 C - RMN) para identificar compuestos orgánicos (temas que analizarán en futuras materias de la carrera como ser Química Orgánica I y II, Química Analítica y Química Analítica Instrumental) 6. Imagenología por Resonancia Magnética (MRI, en inglés) como técnica diagnóstica 7. Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR, en inglés), empleada en investigación 8. Activación neutrónica, utilizada en análisis de muestras para control de calidad 9. Galvanómetro de D’Arsonval. Pueden proponer otros ejemplos y, previa discusión con el equipo docente, embarcarse en la investigación.
