Objetivo general: Que el alumno sea capaz de observar a traves de metodos indirectos el comportamiento de los campos electricos y magneticos. Objetivo particular: Utilizar diferentes materiales y hacerlos interactuar con los campos para observar su comportamiento. Introducción: CAMPO ELECTRICO Campo eléctrico. Toda región del espacio que rodea una carga eléctrica estática, tal que al acercar otra carga eléctrica positiva de prueba, se manifiesta una fuerza de atracción o de repulsión. El campo eléctrico se manifiesta alrededor del espacio volumétrico de una carga electrostática como un campo de fuerzas conservativas, el cual se puede detectar mediante la ubicación de una carga positiva de prueba en esta región. El campo eléctrico es una cantidad vectorial y por lo tanto tiene magnitud, dirección y sentido. Michael Faraday fue el primero a proponer el concepto de campo eléctrico y también contribuyó con otros trabajos para el electromagnetismo, posteriormente este concepto fue mejorado con los trabajos de Maxwell quien fue discípulo de Faraday. El concepto de campo eléctrico surgió de la necesidad de explicar la acción de fuerzas a distancia. El campo eléctrico existe en una región del espacio cuando, al colocar una carga eléctrica en esta región, tal carga es sometida a una fuerza eléctrica. El campo eléctrico puede ser comprendido como una entidad física que transmite a todo el espacio la información de la existencia de un cuerpo electrificado y al colocar otra carga en esta región, será constatada la existencia de una fuerza de origen eléctrico actuando sobre esta carga Matemáticamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor (q) sufre los efectos de una fuerza eléctrica (F) dada por la siguiente ecuación: Donde (E) es la sumatoria vectorial de la intensidad de cada una de las cargas puntuales presentes en la gráfica. La fuerza a la que la carga queda sometida será de atracción o de repulsión, dependiendo del signo de dicha carga. La dirección del vector campo eléctrico tendrá la misma dirección de la recta que une el punto considerado y la carga generadora. La unidad del campo eléctrico en el Sistema Internacional de Unidades es: Newton por Culombio (N/C), Voltio por metro (V/m) o, en unidades básicas, kg·m·s−3·A−1 y la ecuación dimensional es MLT-3I-1. Faraday durante sus investigaciones consideró que el campo eléctrico por sus propiedades físicas podía ser representado mediante líneas imaginarias de fuerza, las cuales son radiales a las cargas eléctricas pero tangentes a la dirección del campo eléctrico para cualquier punto, de esta manera explicó la existencia de la fuerza de atracción o de repulsión cuando interactúan cuerpos electrizados. De sus investigaciones, Faraday comprobó experimentalmente que las líneas de fuerza emergen o salen de las cargas eléctricas positivas, pero inciden o entran a las cargas eléctricas negativas, como resultado de sus estudios experimentales, en 1934 Faraday concluyó que las líneas de fuerza tienen las siguientes propiedades físicas: • • • Las líneas de fuerza del campo eléctrico salen de las cargas eléctricas positivas y entran a las cargas eléctricas negativas. En cada punto del espacio solo pasa una línea de fuerza, pero si se cruzan dos o mas, entonces deberá calcularse la línea de fuerza resultante a través de una suma vectorial. La densidad de líneas de fuerza de campo eléctrico es proporcional a la intensidad de campo eléctrico a la que llamó Flujo Eléctrico. Espectro del campo eléctrico Con base a las conclusiones obtenidas por Faraday, el espectro del campo eléctrico se puede definir como: la representación gráfica del campo eléctrico para cada una de las cargas eléctricas. Ley de los signos Estable que: al interactuar dos cargas eléctricas del mismo signo se ejerce una fuerza de repulsión mientras que si las cargas son de signo contrario se manifiesta una fuerza de atracción. La intensidad del campo eléctrico (E) representa la cuantificación o magnitud del campo eléctrico, y se define como la fuerza que experimenta una carga eléctrica de prueba positiva (q), colocada en un punto dentro del campo eléctrico. La intensidad del campo eléctrico es una cantidad vectorial, porque resulta de dividir una cantidad vectorial que es la fuerza entre una cantidad escalar, que es la carga eléctrica. Carga eléctrica puntual Es la consideración de concentración de toda la carga eléctrica de un cuerpo electrizado en un solo punto del propio cuerpo. Esta consideración solo se hace para efecto de estudio y de cálculos, porque en realidad la carga eléctrica se distribuye uniformemente en toda la superficie exterior del cuerpo. Ley de coulomb La ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa. Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos. La Ley de Coulomb dice que: «La fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.» LINEAS DE CAMPO ELECTRICO Para poder visualizar gráficamente el campo eléctrico, Michael Faraday (1791-1867) propuso una representación por medio de líneas denominadas líneas de campo o líneas de fuerza. Al trazar estas líneas debes tener en cuenta lo siguiente: • Cada línea es una flecha cuya dirección y sentido es el de la fuerza eléctrica que actuaría sobre una carga testigo positiva. En cada punto de la línea la intensidad del campo eléctrico (E) es tangente en dicho punto. • Las líneas no pueden cruzarse en ningún punto. • Las líneas parten de las cargas positivas y entran en las cargas negativas, de ahí que a las cargas positivas se les denomine fuentes del campo y a las negativas sumideros. • El número de líneas que salen o entran en la carga es proporcional al valor de esta. • Cuanto más juntas estén las líneas, más intenso será el campo. • En el caso en que la líneas de campo sean paralelas, el valor del campo eléctrico es • constante. Las líneas de fuerza son líneas imaginarias que describen los cambios de dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. • En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. • El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado. • Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). CAMPO MAGNETICO Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, Fmagnética = qvB, que está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). El Gauss (1 Tesla = 10.000 Gauss) es una unidad de campo magnético más pequeña. LEY DE LOTENTZ Se pueden definir ambos campos magnéticos y eléctricos a partir de la ley de la fuerza de Lorentz: La fuerza eléctrica es recta, siendo su dirección la del campo eléctrico si la carga q es positiva, pero la dirección de la parte magnética de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha. Un campo magnético podría definirse de diversas formas según el contexto. Pero en términos generales, es el campo invisible que ejerce una fuerza magnética en sustancias que son sensibles al magnetismo. Añadir también que el magnetismo ejerce fuerza y torsión a través del campo que se ha creado en ambas direcciones. No hay que olvidar que la atracción conocida como magnetismo ocurre cuando hay un campo magnético presente, que es el campo de fuerza que se produce por el objeto o partícula magnética. Así pues, también provoca un campo eléctrico cambiante. Puede detectarse por la fuerza ejercida en los materiales sensibles al magnetismo y hasta posee su propio campo de estudio Los campos magnéticos pueden generarse gracias a la cercanía de un imán, con una corriente eléctrica o con un campo eléctrico cambiante. Recordar que son dipolares en la naturaleza. Esto quiere decir que tienen dos polos magnéticos, uno norte y otro sur. Además, se miden con el término Tesla según el Estándar Internacional, aunque para campos muy pequeños se utiliza el Gauss. 1 Tesla equivale a 10 000 Gauss. También podemos definir el campo magnético en términos matemáticos. En este caso sería la cantidad de fuerza ejercida en una carga en movimiento. Las medidas de ese campo se miden combinando la carga, la velocidad y el propio campo magnético, relacionadas con el resultado de un vector. Los campos magnéticos se suelen representar con líneas continuas de fuerza que emergen desde el polo norte magnético hasta el sur. La densidad de las citadas líneas indican la magnitud del campo. Generalmente las verás más concentradas en los polos, donde como es lógico al campo es mucho más fuerte, y se debilitan en la medida en que se van separando de ellos. ▪ Imanes. Un imán es un elemento que de por sí posee propiedades magnéticas. Hay imanes naturales como la magnetita es un potente imán natural, tiene la propiedad de atraer todos los objetos magnéticos. Los objetos magnéticos son aquellas que son atraídas por la magnetita. También hay Imanes artificiales permanentes; son objetos magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes, ▪ Imanes artificiales temporales; aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán. Si hacemos pasar una corriente eléctrica por el conductor se genera alrededor de la bobina de cable un campo magnético. Esto se puede apreciar colocando un trozo de metal (una punta por ejemplo) cerca de la bobina. Veremos como es atraída por el electroimán. LINEAS DE CAMPO MAGNETICO Es un campo invisible que ejerce una fuerza magnética sobre sustancias que son sensibles al magnetismo. Un campo magnético tiene dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos polos se encuentran en los extremos del campo. Si tenemos dos campos diferentes, sus polos opuestos hará que se atraigan y sus polos iguales hará que los dos campo se separen. El ejemplo más claro son los imanes. Los imanes a su alrededor crean un campo magnético, zona donde son atraídos ciertos metales (como el hierro). Las líneas de campo magnético son una forma de representar este campo magnético. Los campos magnéticos pueden ser generados por imanes o por corrientes eléctricas. Las líneas nos indican lo fuerte que es el campo y hasta donde llega su acción. Cuanto más juntas estén más fuerte es el campo magnético y la superficie que ocupen estas líneas es la zona donde hay campo magnético (donde habría atracción magnética hacia los metales). Las líneas son imaginarias, pero se usan para representar el campo generado. Entender bien las líneas y los campos magnéticos es muy importante para el estudio de motores, generadores y en general cualquier máquina eléctrica. Es por eso que os dejamos este video muy didáctico en el que explica perfectamente las líneas generadas por el campo y de forma muy sencilla. - Podemos tener un campo magnético mediante un imán. Un imán genera el campo magnético por si solo, ya que posee propiedades magnéticas. De hecho se llama imán por tener precisamente esta característica. - También podemos generar un campo magnético mediante un electroimán. Un electroimán es una bobina de conductor (cable enrollado) en cuyo interior lleva un metal. Si hacemos pasar una corriente eléctrica por el conductor se genera alrededor de la bobina de cable un campo magnético. Esto se puede apreciar colocando un trozo de metal (un punta por ejemplo) cerca de la bobina. Veremos como es atraída por el electroimán. En la figura de abajo vemos como el electroimán atrae los clips hacia el por efecto del campo magnético generado al hacer pasar por el una corriente mediante una pila. Como conclusión diremos que para crear un campo magnético se necesita un imán o una corriente eléctrica. Material y equipo: NO. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 CANTIDAD. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 BANCO 1 1 2 1 DESCRIPCIÓN. GENERADOR DE VAN DE GRAFF ELECTROSCOPIO DE AGUJA ELECTROSCOPIO DE PLACAS PARALELAS BARRA DE VIDRIO. BARRA DE PLÁSTICO. PIEL DE CONEJO. TELA CON HILO DE ESTAMBRE O PARA COSER ROPA. TIJERAS. CARRETE DE HILO. IMANES DE HERRADURA GRANDES. IMANES. FRASCO CON LIMADURA DE HIERRO FINA. ESFERA DESCARGADORA. SOPORTES UNIVERSALES CON PINZAS SUJETADORAS. CONDENSADOR DE CARGA ELÉCTRICA DE PLACAS PARALELAS MARCA PHYWE. Desarrollo: 1. Se utilizo una tela con hilo para observar la existencia del campo electrico en un condensador de cargas paralelas. 2. Se frotaron con las pieles de conejo varillas de plastico y de vidrio para posteriormente colocarlas en el electroscopio de placas paralelas y observar el movimiento producido. 3. Conectar las partes superiores del Van de Graff y el electroscopio de aguja con un conector banana y observar lo que sucede. 4. Para los campos magnéticos se colocó sobre los imanes una hoja de papel con limadura de hierro. Análisis de las observaciones: 1. En la parte primera de la práctica se pudo observar claramente la atracción de los hilos del pedazo de tela por el campo eléctrico de las cargas paralelas además de la descarga de los mismos al momento de tocar las placas. 2. En esta parte se pudo observar la manera en que se cargaron a través de las pieles de conejo las varillas y como dicha carga permitió el movimiento de las placas paralelas del electroscopio. 3. En esta parte se observó como a través del Van de Graff se podía cargar y provocar movimiento en el electroscopio de aguja. 4. Gracias a los diferentes pruebas realizadas con la limadura de hierro no solo pudimos observar el campo magnético, sino que además pudimos identificar los polos de los imanes, los nodos de estos y la fuerza de atracción y repulsión que presentan al juntar diferente o el mismo polo respectivamente. Conclusión: Mediante diferentes experimentos se pudo reconocer de distintas maneras la existencia de los campos tanto magnéticos como eléctricos, además de que fueron bastante interesantes todas las formas en las que pueden ser identificados. Estoy seguro de que se lograron cumplir satisfactoriamente los objetivos planteados además de observar el comportamiento de una manera muy interactiva, incitando al experimentador a involucrarse y sentirse interesado en el tema. Referencias Purcell, E.M. Electricidad y Magnetismo. Berkeley physics course vol. 2.2° ed. Reverte. Barcelona 2005. http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Coulomb_campo_electrico_1847 5.pdf
