OBJETIVOS:

Identificar las características de un campo magnético.

Establecer la acción de un campo magnético sobre una carga y sobre un

conductor

Calcular la magnitud, dirección y sentido de campos magnéticos.

Determinar los factores de los cuales depende el campo magnético

alrededor de un conductor por el cual circula corriente.

Definir la Ley de Biot y Savart

Establecer como la variación del campo magnético genera corriente en

un conductor.

Definir la f.e.m. inducida.

Enunciar la Ley de Faraday

Aplicar los conceptos de electromagnetismo en la solución de problemas.

Definir una onda electromagnética.

CONCEPTOS BASICOS

1. IMANES NATURALES

INSTITUCION EDUCATIVA NUESTRA SEÑORA DEL PALMAR

Código: FR-17-GA

Versión : 002

Emisión: 12/09/2008

GUIA N°3

ELECTROMAGNETISMO

GRADO UNDECIMO

Actualización : 01/01/2011

Seguramente, desde que se conoce el hierro, se conocen los fen6menos

magneticos, que justamente deben su nombre a una piedra que se encuentra en

todas las minas de hierro a la que se le da el nombre de "magnetita".

La magnetita que debe su nombre de la ciudad griega de Magnesia, es un óxido

de hierro Fe3O4 que abunda en la naturaleza y que tiene la propiedad de atraer

a otros cuerpos de hierro, acero o níquel.

Si se toma, por ejemplo, una aguja de acero y se la frota cíclicamente, es

decir, siempre en el mismo sentido, con un trozo de magnetita, la aguja se

magnetiza, es decir, se convierte en un imán natural.

2. POLOS DE UN IMAN

Podemos montar esta aguja sobre un eje que le permita girar libremente como

nuestra la figura y de esta manera empezaremos a estudiar sus propiedades.

En estas condiciones podemos observar que aunque movamos la base en

cualquier dirección, la aguja siempre se ubica con uno de sus extremos

apuntando al norte geográfico. Por esta razón, a dicho extremo se lo denominó

polo norte del imán, y al extremo opuesto, polo sur del imán.

3. INTERACCIONES MAGNÉTICAS:

Si acercamos dos imanes, puede observarse que los polos norte se repelen

entre sí, al igual que los polos sur, mientras que los polos norte y sur se atraen

4. PRIMER PRINCIPIO DEL MAGNETISMO

Polos de igual signo se atraen y polos de diferente signo se

atraen.

5. SEGUNDO PRINCIPIO DEL MAGNETISMO

Es imposible aislar un polo de un imán, es decir, un imán siempre tiene dos

polos.

Eso se verifica experimentalmente partiendo un imán en dos pedazos, coda uno

tiene un polo norte y un polo sur

Si esto se repite una y otra vez, coda pequeña parte tendrá un polo norte y un

polo sur.

6. INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA

Si acercamos un imán a la cabeza de un clavo sin llegar a tocarlo, y acercamos con

la punta a otro clavo, veremos que los clavos se pegan, lo que indica que el primer

clavo se comporta como un imán. Este fenómeno se denomina inducción magnética.

El primer imán se denomina inductor, y el clavo se denomina imán inducido.

7. LOS IMANES Y LA TEMPERATURA:

Experimentalmente se puede verificar que al calentar un imán hasta una

temperatura suficientemente alta, sus propiedades magnéticas desaparecen.

8. LOS IMANES Y LAS SUTANCIAS

Es importante que tengamos claro que las únicas sustancias que experimentan

fuerzas magnéticas son el hierro (Fe) y sus aleaciones como el acero, el níquel

(Ni), el cobalto (Cb), el Gadolinio (Gd) y algunas pocas sustancias compuestas. A

todas ellas se las denomina sustancias ferromagnéticas.

9. SATURACIÓN MAGNÉTICA:

Como dijimos, al frotar en forma cíclica un cuerpo de hierro o acero, se

magnetiza, esta magnetización aumenta a medida que se repite la operación

hasta llegar a un máximo a

Partir del cual las propiedades magnéticas ya no aumentan aunque se continúe

frotando.

Entonces se ha alcanzado la saturación magnética.

10. HIPOTESIS DE WEBER.

En el año 1843 el profesor de Física alemán Wilhelm Eduard Weber propone una

explicación para todos estos fenómenos, que se conoce con el hombre de

hip6tesis de weber: “Cada molécula se comporta como un pequeño imán (dipolo

magnético). En la mayoría de las sustancias, estos dipolos se encuentran

desordenados de modo que sus efectos se anulan entre sí. En los materiales

ferromagn6ficos, estos dipolos pueden ordenarse de manera que se orienten en el

mismo sentido. Es así que sus efectos se suman y estos cuerpos se convierten en

un imán”.

Los dipolos magnéticos se encuentran agrupados en regiones llamadas "dominios

magnéticos”

EL CAMPO MAGNETICO

Si colocamos un cartón sobre un imán y espolvoreamos sobre el limadura de

hierro, observaremos que estas se disponen como muestra la Imagen:

Claramente podemos ver que se forman líneas de fuerza magnética que van

desde el polo norte al polo sur del imán. Estas líneas nos muestran la forma del

campo magnético que rodea al imán.

1. CAMPO MAGETICO

Como decíamos en el punto anterior, las líneas de fuerza representan la forma

del campo magnético que rodea a un imán, pero ¿Qué es el campo magnético?

Así como dijimos que en una región del espacio donde se manifiestan fuerzas

de carácter eléctrico, hay un campo eléctrico, si en una región del espacio se

manifiestan fuerzas de origen magnético, hay un campo magnético.

El campo magnético se dirige desde el polo norte hacia el polo sur por fuera

del imán y se cierran de sur a norte por dentro del imán.

2. MAGNETISMO TERRESTRE

Por todo lo visto hasta ahora, no caben dudas que la Tierra se comporta como

un gran imán, por esta razón, la aguja magnética se orienta en dirección a los

polos. Sin embargo debemos comprender que por la definición dada para los

polos del imán, en el norte geográfico de la Tierra se debe ubicar al polo sur

magnético (por esta razón atrae al polo norte de la aguja), y en el sur

geográfico se ubicara el polo norte magnético de la Tierra.

En la siguiente figura se puede ver la forma del campo magnético producido

por la Tierra, similar al de un imán con forma de barra. Dicho campo magnético

orienta a la aguja magnética y por tal razón puede utilizarse para la

orientaci6n en la navegación. El instrumento construido con una aguja

magnética sobre un cuadrante que contiene los puntos cardinales se denomina

brújula o compas.

El campo magnético de la Tierra nos protege de las partículas de alto energía

que nos bombardean desde el espacio haciendo que se desvíen y no lleguen a la

superficie de la Tierra. La Vida es posible, entre otras cosas, gracias a esto.

3. CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR CORRIENTE ELECTRICA

En el año 1820, el profesor de física Hans Oersted estaba dando una clase

sobre los efectos que producía una corriente eléctrica en la universidad de

Copenhague. Explicaba a sus alumnos que el único efecto que producía la

corriente eléctrica era transformar la energía eléctrica en calor. Casualmente

había una brújula sobre la mesa y el profesor noto que al cerrar el interruptor

la aguja de la brújula dejaba de apuntar al norte y se ubicaba

perpendicularmente al alambre conductor por donde circulaba la corriente

eléctrica.

Cuando el físico francés André Marie Ampere se entera del descubrimiento,

desarrolla una investigación que le permite descubrir una ley fundamental de la

naturaleza donde propone formalmente que las corrientes eléctricas generan

un campo magnético en el entorno del conductor por donde circulan.

La forma de este campo magnético puede observarse colocando un cartón

atravesado por un alambre por el que circula corriente y espolvoreando

limadura del hierro sobre él.

4. DEFINICION DEL VECTOR CAMPO MAGNETICO

Coloquemos dos !manes enfrentados por sus polos opuestos de modo que formen

un campo magnético entre ellos y hagamos que un alambre conductor recto

atraviese dicho campo como muestra la figura:

Si hacemos circular una corriente eléctrica por el alambre se observa que una

fuerza empuja al alambre hacia adelante haciendo que el conductor se

desplace tratando de salir del campo.

Si se invierte el sentido de circulación de la corriente, se observa que la

fuerza se dirige en sentido contrario. Lo mismo sucede si se permutan los

imanes.

Experimentalmente se observa que la fuerza que actúa sobre el conductor es

directamente proporcional a la intensidad de corriente que por el circula y a la

longitud del conductor sumergido en el campo.

Este hecho nos permite definir una magnitud que denominaremos campo

magnético como una magnitud cuyo módulo es el cociente entre el módulo de la

fuerza F que recibe un segmento de conductor sumergido perpendicularmente

en dicho campo, la intensidad I de corriente que por el circula y la longitud l de

conductor sumergido en él.

La direcci6n de B es perpendicular a I y a F y su sentido se determina con la

regla de la mano derecha.

Se coloca la mano derecha abierta de manera que el dedo índice apunte en el

sentido de circulación de la corriente de electrones, con el pulgar extendido en

el sentido de la fuerza. En estas condiciones el vector campo magnético nos

pincha la mano.

5. UNIDADES

El campo magnético se mide en una unidad denominada Tesla (T).

Un campo magnético mide 1 Tesla cuando por un conductor de 1 m de longitud

sumergido en él, por el que circula una intensidad de corriente de 1 Ampere

recibe una fuerza de 1 Newton.

6. FUENTES DE CAMPO MAGNETICO

Como vimos un conductor rectilíneo genera a su alrededor un campo magnético.

El valor de dicho campo en un punto del espacio es directamente proporcional a

la intensidad de corriente que circula por el conductor e inversamente

proporcional a la distancia que separa, al punto del conductor:

Donde I es la intensidad de corriente que circula por el conductor, d es la

distancia desde el punto donde se calcula el campo hasta el conductor y miu es

la constante de proporcionalidad que depende de la sustancia que rodeo al

conductor. Se denomina permeabilidad magnética de la sustancia.

Si se trata de vacío se denomina permeabilidad magnética del vacío y su

valor es:

Diferentes sustancias tienen diferente permeabilidad magnética, esto

depende de que favorezca o no la formación de un campo magnético en su

interior. Hay sustancias que, respecto del vacío, lo hacen disminuir un poco,

otros que lo hacen aumentar levemente y algunas que lo hacen aumentar

mucho.

7. MATERIALES MAGNETICOS

Su permeabilidad es levemente menor a la del vacío µ < µo. En estos materiales,

los dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el sentido

contrario al del campo magnético externo y por ello, este disminuye en su

interior, por ejemplo: el bismuto metálico, el hidrogeno, el helio y los demás

gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio, el germanio, el

grafito, el bronce y el azufre.

8. MATERIALES PARAMAGNETICOS

Su permeabilidad es levemente mayor a la del vacío µ > µO. En estos materiales,

algunos pocos dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el

mismo sentido al del campo magnético externo y por ello, este aumenta un poco en

su interior, por ejemplo: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

9. MATERIALES FERROMAGNETICOS

Su permeabilidad es enormemente mayor a la del vacío µ >>> µO. En estos

materiales, todos los dipolos que forman sus moléculas tienden a orientarse en el

mismo sentido al del campo magnético externo y por ello, este aumenta

notablemente en su interior, ya los conocemos, ellos son: el hierro, el níquel, el

cobalto, el acero, el gadolinio, etc.

10. ELECTROIMAN SELENOIDE

Si se enrolla un alambre de cobre aislado en un núcleo de material ferromagnético,

por ejemplo un clavo de acero (a este dispositivo se lo denomina bobina) y se

conectan las puntas del conductor a una fem, se observa que el núcleo de hierro se

convierte en un potente imán. Esta magnetización perdura mientras se mantenga la

corriente circulando y desaparece cuando deja de circular.

Esto es un electroimán y tiene infinidad de aplicaciones prácticas, con

electroimanes funcionan timbres, motores eléctricos, generadores de energía

eléctrica, etc.

El valor del campo magnético producido por un electroimán es directamente

proporcional a la intensidad de corriente que por el circula y al número de

vueltas N de alambre e inversamente proporcional a la longitud d. Puede

calcularse con la siguiente ecuación:

11. EL TIMBRE

Cuando se cierra el interruptor A, comienza a circular corriente por la bobina.

Obsérvese que el circuito se cierra a través del fleje de acero que se

encuentra en contacto con el tope C que se encuentra conectado a un extremo

de la bobina D.

El electroimán atrae al fleje de acero haciendo que el martillo E golpeé en la

campanilla F. Al pegarse al electroimán, el fleje B se separa del tape C y por lo

tanto el circuito se abre, de modo que la corriente deja de circular y el

electroimán se desactiva permitiendo que la fuerza elástica restituya al fleje

a su posici6n original. En esta situaci6n vuelve a cerrarse el circuito y

nuevamente se activa el electroimán. Esta hace que el sistema suba y baje una

y otra vez y el timbre suene.

12. MOTOR ELECTRICO

Un motor eléctrico elemental está compuesto por una bobina llamada rotor,

que se encuentra solidaria con un eje que le permite girar libremente. El rotor

se encuentra ubicado entre dos imanes (estator) que generan un campo

magnético en el espacio donde el rotor está sumergido.

Si se hace circular en el sentido apropiado, una corriente por el rotor, se

forma un polo norte en el extremo que se enfrenta con el norte del estator, y

un polo sur que se enfrenta con el sur del estator provocando que se repelen y

que, por lo tanto, comience a girar hasta que queden enfrentados norte y sur

respectivamente. En esta situación el movimiento cesaría y el rotor quedaría

en equilibrio.

Pero si justo en este instante se invirtiera el sentido de circulaci6n de la

corriente, los polos del rotor se permutaran y nuevamente se repelerán con los

del estator, y continuaría girando media vuelta más. Para mantener el rotor

girando, habría que invertir el sentido de circulaci6n de la corriente coda

media vuelta.

Esto se puede lograr automáticamente con un dispositivo llamado conmutador,

que consiste en un cilindro dieléctrico que se encuentra solidario con el eje y

tiene dos semi anillos conductores pegados en la superficie cilíndrica. Estos

deslizan sobre dos escobillas que se encuentran conectadas a la fuente de

energía. Al girar el rotor, el eje también arrastra al conmutador de modo que

al rotar media vuelta el semi anillo que hacia contacto con el positivo de la

fuente comienza a hacer contacto con el positivo y el que hacia contacto con el

negativo ahora se conecta al positivo.

De este modo, el rotor continuara girando permanentemente transformando la

energía eléctrica en energía mecánica.

TAREA

1. Enunciar la ley de Faraday.

Elaboró: Lic. Liliana Bertilde Sepúlveda Báez