ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALInstituto de Ciencias Físicas

Laboratorio de Física C

Informe: MAGNETISMO

OBJETIVOS

Analizar algunas propiedades de campos magnéticos, utilizando los siguientes aspectos:

Fuerzas y torques ejercidas por campos magnéticos permanentes sobre cuerpos localizados dentro de su influencia.

Distorsión del campo magnético, causado por la presencia de ciertas sustancias situadas en su seno.

RESUMEN

Esta práctica se trató de analizar las propiedades de los campos magnéticos. También las fuerzas magnéticas y torques magnética creada por los polos del imán el polo norte y el polo sur magnético.

Observamos las propiedades que tenían algunos metales en presencia de campo magnético producido por un imán.

Se observo claramente que las líneas de campo en un imán se alineaban de forma que salían del polo norte hacia el polo sur, para esto se utilizó limallas de hierro que describían la trayectoria de las líneas de campo.

También observamos cómo influye el campo magnético en la dirección de movimiento de un haz de electrones, utilizando un tubo de rayos catódicos. Este haz de electrones se desviaba en su dirección a medida que acercábamos un polo del imán.

Aparte observamos lo que provoca el campo magnético en una cuba electrolítica que contiene sulfato de cobre y agua acidulada y unas partículas de madera, lo que hacía es que las partículas empezaban a rotar en un sentido del horario pero si cambiaban de polaridad al circuito, entonces las partículas rotaban en contra del sentido del horario.

ABSTRACTThis practice is tried to analyze the magnetic field properties. Also the magnetic forces and magnetic torques created by the poles of the magnet's north pole and the magnetic south pole.

We note that the properties had some metals in the presence of magnetic field produced by a magnet.

Became clear that the field lines of a magnet are aligned so that left the North Pole to the South Pole, for this iron filings are used describing the path of the field lines.

Also see how it influences the magnetic field in the direction of movement of an electron beam, using a cathode ray tube. The electron beam is deflected in the direction approached as a pole of the magnet.

Besides causing the observed magnetic field in Cuba electrolyte containing copper sulfate and water and acidified wood particles, making the particles is started to rotate in a sense of time but if the polarity changing circuit then particles rotated against the direction of the schedule.

INTRODUCCIÓN Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo.

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.

El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo.

Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, del spin de la mecánica cuántica.

La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos, creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

Fórmula 1: fuerza magnética

donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de a partícula y es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético.

La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es: donde es el ángulo entre los vectores y .

LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO:

Del mismo modo que el campo eléctrico E puede representarse mediante líneas de campo eléctrico, también el campo magnético B puede ser representado mediante líneas de campo magnético. En ambos casos, la dirección del campo viene indicada por la dirección de las líneas de campo, y la magnitud del campo por su densidad. Existen, sin embargo, dos importantes diferencias entre líneas del campo eléctrico y líneas de campo magnético:

1. Las líneas de campo eléctrico poseen la dirección de la fuerza eléctrica sobre la carga positiva, mientras que las líneas de campo magnético son perpendiculares a la fuerza magnética sobre una carga móvil.

2. Las líneas de campo eléctrico comienzan en las cargas positivas y terminan en las cargas negativas; las líneas de campo magnético forman circuitos cerrados. Con los polos magnéticos aislados aparentemente no existen, no hay puntos en el espacio donde las líneas de campo magnético comiencen o terminen.

Vamos a ver un par de figuras donde se muestran las líneas de campo, tanto fuera como dentro de una barra imanada:

En la primera figura, vemos las líneas de campo magnético dentro y fuera de una barra magnética. Las líneas emergerían del polo norte y entrarían en el polo sur, pero carecen de principio y fin. En su lugar forman circuitos cerrados.

Figura 0.5: líneas de campo

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Materiales a Utilizarse

• Imán en forma de Herradura

• Frasco con elementos

• Varilla cuadrada de Hierro

• Limallas de Hierro

• Carrete de Ruhmkorff

• Fuente de Tensión Regulable

• Tubo de Rayos Catódicos

• Cuba electrolítica

• Imán Cilíndrico

• Electrodos anulares de Cobre

• Interruptor un polo

• Sulfato de Cobre

• Agua

• Brújula de Bolsillo

A) fuerzas ejercidas por campos magnéticos

En primer lugar, en una muestra constituida por clavos de Hierro, pernos de Cobre de Aluminio, Pedazos de Corcho, acercamos el imán, para poder observar que objetos atrae y que objetos no atrae, identificando de que material son y qué tipo de material magnético son.

Se acercó finalmente una varilla de Hierro, e identificamos su polaridad

B) Patrón del campo magnético

Se analizó las líneas de campo de los imanes rectos, herraduras y los redondos

Se colocó un papel sobre los imanes y se colocaron limallas de Hierro para poder visualizar las líneas de campo, (las limallas son muy livianas es decir de poca inercia, fácilmente manipulables por el campo magnéticos).

Se anotó la forma de las líneas de campo en el informe.

C) Fuerza magnéticas sobre cargas eléctricas en movimiento

Se armó el tubo de rayos catódicos

Se acercó el imán al tubo de rayos catódicos en funcionamiento

Colocamos en distintas maneras el imán cuando está cerca del tubo de rayos catódicos

Observamos que sucedió con el haz de electrones y hacemos un análisis

D) Cuba electrolítica

Se armó una cuba electrolítica conectada a una fuente Continua, dentro de un imán redondo y de electrodos de cobre a sus costados, dentro de esta se espolvoreó sulfato de cobre en agua acidulada

Se hizo de dos maneras, primero el negativo afuera y el positivo adentro, y después la terminal positiva afuera y la negativa adentro.

Poco a poco se fue incrementando el voltaje de la Carcoma (mezcla de agua acidulada con sulfato de cobre)

Se analizó el movimiento de la Carcoma dentro del informe.

DATOS Y RESULTADOS

Escriba sus observaciones acerca de los experimentos realizados en esta práctica.

a) Fuerza ejercidas por campos magnéticos.

a1) Que materiales fueron atraídos por el imán?

Fueron atraídos al imán, la moneda ecuatoriana, porque es hecha de una aleación de hierro y níquel.

También fueron atraídos los pernos y las tuercas de hierro.

a2) Que materiales no fueron atraídos por el imán?

No fueron atraídos los tornillos de cobre ni los de aluminio.

Tampoco fueron atraídos los pedazos de madera

a3) Que sucede con la varillas de Fe de la figura 2?

Al acercar la varilla de hierro, esta se pega al imán y adquiere propiedades magnéticas, razón por la cual si acercábamos una moneda ecuatoriana a la varilla, esta moneda se pegaba a dicha varilla.

b) Patrón del campo magnético

b1) Grafique los patrones de campo magnético que observo en este experimento.

S

N

N S

b2) Comente sus observaciones sobre las características de las líneas de campo observados

Las limallas de hierro se alinean y forman curvas y se nota que salen del polo norte dirigidas hacia el polo sur.

c) Fuerza magnética sobre cargas eléctricas en movimiento.

C1) Observaciones cuando el campo magnético se acerca al observador.Al acercar el polo norte del imán hacia el haz de electrones, el haz cambia de trayectoria y se desvía levemente hacia abajo.

Ahora al acercar el polo sur del imán hacia el haz de electrones, el haz cambia de trayectoria y se desvía levemente hacia arriba.

C2) Observaciones cuando el campo magnético se aleja del haz.

Si se aleja ya no habrá una fuerza magnética que haga que el haz se desvíe y por eso es que el haz de electrones permanece con su trayectoria constante.

d) Cuba Electrolítica

Primero al conectar el circuito de la cuba electrolítica, las partículas de madera empiezan a moverse formando una trayectoria circular, rotando en contra de las manecillas del reloj, pero si cambiamos de polaridad en el circuito, las partículas de madera empiezan a rotar a favor de las manecillas del reloj.

F

B v

B v

F

Imágenes

Image3: CRT y maquina eléctrica Image4: hay de luces en equilibrio

Image1: líneas de campo magnético Image2: líneas de campo magnético

Image5: cuba electrolítica Image6: cuba y partículas en movimiento..

ANÁLISISa) Explique el comportamiento de los materiales utilizados en la práctica al acercar el imán en forma de herradura.Debido a que la moneda ecuatoriana es de hierro y níquel, entonces esta se atrae al imán, y también otros objetos como los pernos y tuercas de hierro.

Pero los objetos de cobre y aluminio, y los trozos de madera no se atraen porque no tienen propiedades de magnetismo.

b) Identifique el campo magnético inductor y el campo magnético inducido en la figura2.El campo magnético inductor es el imán y el campo magnético inducido es la varilla de hierro (Fe).

c) Pueden haber imanes con un número impar de polos?Hasta ahora no ha sido posible crear uno o tres polos, pero se está intentando con un monopolo.

Un monopolo magnético es una partícula que tiene únicamente un polo magnético (norte o sur). Teóricamente, nada impediría la existencia del monopolo magnético; incluso, su existencia se hace necesaria en algunas teorías de la creación del Universo. No obstante, esto no significa que existan, pues hasta ahora todos los intentos de crear un monopolo magnético en aceleradores de partículas han fracasado.

d) Porque en el dispositivo utilizado en la figura 8 deben utilizarse electrodos de cobre?

En el dispositivo utilizado en la figura 8 se utilizo electrodos de cobre debido a que el cobre no tiene propiedades magnéticas pero si tiene propiedades eléctricas o sea es un buen conductor de electricidad.

DISCUSION

Notamos que no todos lo metales poseen propiedades magnéticas, y los que eran atraídos por el imán se denominan “magnéticos”, en nuestro caso fueron el hierro, el acero, la plata, de todos los metales existe un pequeño grupo como es: el cobre, al aluminio y el níquel; aquellos no poseen propiedades magnéticas, por ende cuando se acerca un imán s estos metales no son atraídos, es decir no son “magnéticos”

Notamos que las líneas de campo magnético, salen del polo norte y llegan al polo sur, además estas líneas nunca se cruzan y el número de líneas que sale de un polo es el mismo que entra al polo opuesto además la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen.

La fuerza magnética que actúa sobre una partícula cargada en movimiento en un campo magnético es siempre perpendicular a su velocidad. La fuerza magnética modificará la dirección de la velocidad pero no modificará su módulo. Así que, al no hacer trabajo sobre la partícula, no se modificará la energía cinética

El sentido se calcula por la regla de la mano derecha (índice = velocidad, mayor = campo, pulgar = fuerza, formando 90 grados entre cada uno de los tres dedos). El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha

Una cuba electrolítica es básicamente un recipiente en el cual hay un electrolito en solución o fundido y al cual se le adosan dos electrodos alimentados con corriente continua.

Cuando la activamos los iones del agua comenzaron a moverse hacia el electrodo negativo, arrastrando consigo las partículas de sulfato de cobre, pero como se introdujo un campo magnético estas partículas describieron un movimiento circular.

Cabe recalcar que se uso sulfato de cobre debido a que este metal poseen propiedades eléctricas más no magnéticas

CONCLUSIONES

Concluimos que existen fuerzas ejercidas por los campos

magnéticos, mediante el uso de imanes permanentes sobre pernos

de cobre y de hierro. No obstante la fuerza de atracción que

provoca el imán es solo para ciertos materiales denominados ferro

magnético.

En esta práctica pudimos concluir que un imán siempre apunta el

norte magnético como lo realizamos con los imanes para descubrir

cual lado era positivo y cual negativo

Las líneas de campo magnético son de forma circular y salen

perpendiculares a la superficie de los imanes de acuerdo a lo

observado en el experimento.

Las limallas se linearon de acuerdo a las líneas de campo magnético

en un imán. Las líneas del polo norte se dirigían al polo sur, y las del

polo sur iban hacia el polo norte.

En el tubo de rayos catódicos en donde los electrones fluyen en

línea recta y acercamos un campo magnético observamos como los

electrones cambian de movimiento debido a q son repelidos por el

campo.

En la cuba electrolítica, cuando la corriente se dirigió hacia el centro

de la cuba el movimiento del imán fue anti horario. Mientras que

cuando se invertía la dirección del potencial eléctrico y la corriente

era ahora hacia afuera de la cuba, el movimiento del imán cambio

en sentido horario. Esto se debe a la presencia de la fuerza de

Lorentz, el imán adquiera cierta velocidad en presencia de un

campo magnético y eléctrico.

RECOMENDACIONES

Se requiere tener bien hechas las conexiones antes de encender los equipos.

Tener cuidado con el trato de los equipos y materiales.

BIBLIOGRAFIA

Guía de Laboratorio de Física C. ICF - ESPOL. Revisión IV SERWAY, Raymond. Física, Edic. 5, Pearson Educación, México, 2001. SERWAY, Raymond A, Física, vol II. Edit. McGraw-Hill, tercera edición revisada,

1993 KAGANOV, M y V. Tsukernik (1985), La Naturaleza del Magnetísmo, Edil., Mir. http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso3/htmlb/

SEC_65.HTM