Ciencias, Saludy Medio Ambiente

Docentes 9.o grado

Fase 2, semana 2: 20 al 24 de abril

Orientaciones pedagógicas

MINISTERIODE EDUCACIÓN

Material de apoyo para la continuidad educativaante la emergencia COVID-19

1 | Ciencia, Salud y Medio Ambiente Orientaciones pedagógicas 9.o grado

Unidad 4: Electromagnetismo Fecha: del 20 al 24 de abril Contenidos: • Magnetósfera

• Electromagnetismo • Inducción electromagnética

Indicadores de logro: 4.2. Representa y explica con interés la existencia del campo magnético terrestre y el de otros planetas en el sistema solar.

4.3. Describe e interpreta con interés las teorías de Faraday en la unificación del electromagnetismo.

4.4. Explica con curiosidad la generación de trabajo al producirse corriente eléctrica. 4.5. Demuestra y explica correctamente y con interés la fuerza de atracción o repulsión de

los imanes. Tarea propuesta: • Magnetósfera

• Respuestas a problemas de inducción electromagnética

Orientación sobre el uso de la guía Esta guía contiene una propuesta de secuencia de actividades secuenciales para que cada estudiante construya su propio aprendizaje. Se incluyen vínculos a recursos de diverso tipo, sugerencias de tareas y de evaluación. Usted tiene la libertad de hacer las adecuaciones pertinentes con su grupo estudiantil o emplear la guía sin modificar; para ello, las notas docentes y resolución de actividades se presentan en gris claro.

Dependiendo de lo anterior, evalúe las tareas plasmadas en los cuadernos de sus estudiantes cuando se reanuden las clases presenciales. También puede solicitar fotografías de respaldo o crear directamente un aula virtual con sus estudiantes.

A. Actividades

1. Campo magnético terrestre y magnetósfera (tiempo estimado: 1 hora) • La magnetósfera terrestre es una región alrededor del planeta en donde las partículas cargadas se ven

afectadas por el campo magnético de ésta. Observa el siguiente esquema en el que se representa el campo magnético terrestre:

• Descarga y lee la Lección 12 del Material de autoformación e innovación docente para Ciencias

Naturales: FÍSICA o consulta el extracto que se anexa en la versión impresa de esta guía. Explica con tus palabras la función de la magnetósfera. La magnetósfera de la Tierra es muy importante debido a que actúa como escudo para proteger al planeta de la radiación, que es potencialmente dañina para la vida, así como para los dispositivos electrónicos.

• ¿La magnetósfera es propia de la Tierra o puede existir en otros planetas? No es propia de la Tierra, todos los planetas con campo magnético la poseen, incluso dentro de nuestro sistema solar, aunque su intensidad es distinta.

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2. Inducción electromagnética (tiempo estimado: 1 hora)

• Observa el video 1, “Inducción electromagnética”, disponible en el canal de Ciencia Educativa. • Ahora, imagina que tu profesor o profesora de Ciencia, Salud y Medio Ambiente te entrega los

siguientes circuitos:

• Sabiendo que el circuito “a” está unido con alambre de cobre y “b” con poliestireno expandido (durapax), te lanza el reto: ¿en cuál de los circuitos es posible que la bombilla encienda sin utilizar una batería o conectarlo a la energía eléctrica residencial? ¿Cómo y por qué?

Utilizando un imán y haciéndolo pasar en la espiral formada por el circuito a. Debido al principio de inducción electromagnética, el campo magnético inducido por el imán producirá una corriente eléctrica que podría encender la bombilla. En el caso de b, no sería posible porque la espiral no está elaborada de un material conductor eléctrico.

• A continuación, se presentan dos espiras, cada una es incidida por un campo magnético. Indica qué

movimiento tiene la corriente eléctrica en cada una de las espiras, justifica tu respuesta.

Utilizando la regla de la mano derecha, se tiene el siguiente resultado:

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• En la siguiente figura se muestra el principio básico del motor eléctrico. Señala en la imagen en qué

dirección se movería la espira, justifica con tus palabras el resultado.

Respuesta:

Los imanes producen un campo magnético sobre la espira, la corriente de la espira hace que suba y luego regrese en sentido contrario, forzado a girar, y esto lo hace permanentemente.

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B. Recursos

• Video 1: “Inducción electromagnética”, disponible en el canal de Ciencia Educativa: https://www.youtube.com/channel/UCGoSFJZERPBXfU3XvV5qftA, también disponible por televisión abierta (consulta canales y horarios).

• Material de Autoformación e Innovación Docente para Ciencias Naturales: FÍSICA, páginas 207-210, 218- 219. Disponible en http://bit.ly/3b8qpoa; también se anexa un extracto en la versión impresa de esta guía.

C. Evaluación

• Magnetósfera: 40 %

• Respuestas a problemas de inducción electromagnética: 60 %

ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.

5. CORRIENTE ELÉCTRICA Y CAMPO MAGNÉTICO

Tal como hemos estudiado, el movimiento de partículas

cargadas produce un campo magnético, por lo que es de

esperar entonces que la corriente eléctrica, que por

definición es el movimiento de carga eléctrica en un

tiempo dado, también genere un campo magnético. El

campo magnético que rodea un conductor puede ser

evidenciado si colocamos brújulas alrededor de un cable

por el cual circula una corriente eléctrica. La aguja de cada

brújula se orienta con el campo magnético producido por

la corriente del cable y se observa un patrón circular en el

alineamiento de las agujas. Si la corriente eléctrica cambia

de dirección se puede notar que también cambia la

dirección del campo magnético, puesto que la aguja de

cada brújula da media vuelta (180 °) (Fig. 6). Este efecto lo

observó por primera vez el físico danés Øersted, quien hizo

esta demostración enfrente de sus estudiantes.

Figura 6. Esquema

que ilustra el

comportamiento

en la dirección del

campo magnético

alrededor de un

alambre cuando

viaja la corriente

en diferentes

direcciones.

Si el alambre se dobla para formar una espiral, las líneas de

campo magnético se agrupan dentro del alambre. Si al

alambre se le hace otro doblez en forma de espiral y se

sobrepone a la primera espira, la concentración de las

líneas de campo magnético dentro de las espiras se

duplica. Por lo tanto, la intensidad del campo magnético

aumenta conforme vamos agregando más espiras a un

alambre por el cual circula corriente eléctrica.

Electroimán

Al alambre por el cual se hace pasar una corriente eléctrica

para que sirva como imán es al que se le conoce como

electroimán. La fuerza magnética de un electroimán se

puede incrementar de dos maneras: aumentado la

corriente que pasa a través del alambre y aumentando el

número de espiras. El alambre al que se le ha dado varias

vueltas en forma de espiras es lo que se conoce como

bobina. Los imanes industriales ganan fuerza adicional

cuando se les coloca una pieza de hierro dentro de la

bobina. Los electroimanes pueden ser lo suficientemente

poderosos como para levantar vehículos en los basureros.

Existen algunos electroimanes a los que no es necesario

colocarles piezas de hierro. Estos electroimanes son

utilizados para transporte por levitación magnética. Los

trenes por levitación magnética se encuentran

funcionando en diferentes países y diversos diseños para

optimizar el campo magnético siguen siendo buscados

por los ingenieros en la actualidad. El diseño más utilizado

comercialmente consiste en bobinas ubicadas por toda la

trayectoria que llevará el tren (como si fueran los rieles). La

fuerza de estos imanes contrarresta el gran imán que lleva

el tren en la parte baja. Una vez que el tren se encuentra

levitando a pocos centímetros, con una pequeña fuerza de

empuje el tren puede desplazarse con gran facilidad (Fig.

7).

Figura 7. Los trenes MagLev (levitación magnética) levitan sobre los rieles con la ayuda de magnetos y superconductores; son los trenes más rápidos en la actualidad.

La ventaja que presenta este tipo de trenes es que reduce

la fricción que convencionalmente hace un tren sobre los

rieles y la única fuerza de fricción que existe es la

resistencia del aire; con esta ventaja y el apropiado diseño

aerodinámico pueden alcanzar una velocidad aproximada

a la mitad de un avión comercial.

Electroimanes superconductores

Los electroimanes más poderosos utilizan bobinas

superconductoras a través de las cuales la corriente

eléctrica puede fluir con gran facilidad. La

superconductividad permite que la corriente fluya con

resistencia cero y el campo magnético de la bobina se

intensifica en gran medida (Fig. 8), lo que permite que sea

más económico trabajar con materiales superconductores

ya que optimizan la energía eléctrica al máximo.

En el Supercolisionador de Partículas del CERN en Ginebra,

Suiza, imanes superconductores son utilizados para guiar

partículas de alta energía a través de un acelerador de 27

km de circunferencia. Los imanes superconductores

también son utilizados en los equipos de resonancia

magnética (imagen de la portada de esta lección) en

algunas clínicas en El Salvador, para producir campos

magnéticos lo suficientemente grandes como para

ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.

generar una imagen digital del interior del cuerpo

utilizando una cantidad de energía relativamente baja.

Figura 8. Demostración

de la levitación

magnética; la imagen

muestra un imán

cilíndrico flotando sobre

un superconductor de

cerámica al cual se

congeló con nitrógeno

líquido.

6. FUERZA MAGNÉTICA SOBRE PARTÍCULAS

CARGADAS EN MOVIMIENTO

Una partícula cargada en reposo no tendrá interacción

alguna con un campo magnético estático. Si la partícula

cargada se mueve en un campo magnético, el magnetismo

característico de la partícula cargada se vuelve evidente,

debido a que experimenta una fuerza que la desvía; la

fuerza es más grande cuando las partículas se mueven en

dirección perpendicular a las líneas del campo magnético.

En otros ángulos, la fuerza es menor y se vuelve cero

cuando las partículas se mueven paralelas a las líneas de

campo. En cualquier caso, la dirección de la fuerza siempre

es perpendicular a las líneas de campo magnético y la

velocidad de las partículas cargadas. En pocas palabras,

cuando las partículas cargadas cruzan a través de un

campo magnético experimentan una fuerza que las desvía,

pero si cruzan el campo paralelos a sus líneas, no sufren

desviación.

Figura 9. Un haz de electrones atraviesa un campo magnético y

como resultado son desviados hacia arriba; la dirección de la

fuerza magnética apunta hacia arriba siguiendo la regla de la

mano derecha. Recuerde que en los imanes la dirección del

campo magnético va desde el polo norte hacia el polo sur, por

esta razón la flecha de campo magnético coincide con la

configuración en que se encuentran los polos del imán.

Para determinar la dirección de la fuerza magnética se

utiliza lo que se conoce como regla de la mano derecha.

Esta técnica consiste en utilizar la mano derecha como

sistema de referencia en el cual los dedos van apuntando

en la dirección donde apunta la velocidad: se giran los

dedos hasta cerrar el puño, dejando el pulgar expuesto. El

giro se puede hacer de dos maneras: una en la cual se gira

en dirección hacia su cuerpo que como resultado el pulgar

queda hacia arriba, y en la otra se hace el giro en dirección

contraria, logrando así que el pulgar quede apuntando

hacia abajo.

Si la dirección de los dedos indica la dirección en que

apunta la velocidad, el giro se hace desde la velocidad

hacia la dirección del campo magnético, la dirección en

que apunte el dedo pulgar es la dirección de la fuerza

magnética.

Figura 10. Regla de la mano

derecha. Al colocar la mano

derecha con los dedos

apuntando hacia la velocidad y

girando hacia el campo

magnético se puede determinar

la dirección de la fuerza

magnética observando hacia

dónde apunta el pulgar.

Esta fuerza de desviación que sufren las partículas en

movimiento al pasar un campo magnético es de gran

utilidad para nuestra supervivencia. Las partículas cargadas

en los rayos cósmicos son desviadas por el campo

magnético de la Tierra.

Aunque la atmósfera de la Tierra absorbe muchas de estas

partículas cargadas, la intensidad de los rayos cósmicos en

la superficie terrestre sería mucho más intensa sin la

protección del campo magnético.

CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA

No se sabe en sí qué hace que la tierra se comporte como

un imán. La configuración que tiene el campo magnético

terrestre pareciera que fuera una barra magnética muy

fuerte colocada cerca del centro de la Tierra. Pero la Tierra

no es un pedazo de hierro magnetizado como una barra

magnética; de hecho, el centro de la Tierra es demasiado

caliente para que los átomos individuales puedan

mantener la orientación apropiada. La posible explicación

radica en las corrientes eléctricas en el interior de la Tierra.

ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.

Cerca de 2000 kilómetros por debajo del manto rocoso se

encuentra una región derretida que rodea el centro sólido

de la Tierra. Muchos científicos creen que el movimiento

de las cargas en la región derretida de la Tierra es la que

crea el campo magnético. Otros científicos especulan que

la corriente eléctrica como resultado del movimiento de

convección dentro de la Tierra combinado con el

movimiento de rotación son los que producen el campo

magnético. Debido a que la Tierra tiene un gran tamaño, la

velocidad con que se mueven las partículas cargadas

necesita ser solo de unos milímetros por segundo para

crear el campo. Se necesita realizar más estudios para

poder tener una explicación firme sobre el origen del

campo magnético terrestre.

Rayos cósmicos

El Universo es un escenario constante de disparos de

partículas cargadas. Se les llaman rayos cósmicos y

consisten de protones, partículas alfa y otros núcleos

atómicos, así como también electrones de alta energía. Los

protones pueden ser residuos del Big Bang; los núcleos

más pesados probablemente se evaporaron de las

explosiones de las estrellas. En cualquiera de esos eventos,

estas partículas viajaron por el espacio a velocidades

enormes y formaron la radiación cósmica, que es muy

dañina para el ser humano y la vida en general. Esta

radiación es intensificada cuando el Sol está activo y

contribuye añadiendo partículas energéticas. Los rayos

cósmicos también son dañinos para los instrumentos

electrónicos que se encuentran en el espacio.

Afortunadamente, muchas de estas partículas no logran

alcanzarnos debido al espesor de la atmósfera. Además, los

rayos cósmicos son desviados debido al campo magnético

de la Tierra y crean los anillos de radiación de Van Allen

(Fig. 14).

Figura 14. Ilustración

de la protección que

el campo magnético

terrestre ofrece antes

las partículas cargadas

liberadas por el Sol (la

imagen no se

encuentra a escala).

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