unidad n° 6 fisica

CEI. Centro de Estudios Integrados Asignatura: Física Docente: González, carolina Año 2015

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Unidad N°6: Electricidad. Corriente eléctrica en los conductores metálicos. Leyes de OHM.

Resistencia eléctrica. Energía. Ley de Joule, Kilowatt; Kilo Watt/Hora. Circuitos de corrientes

continuas. Pilas. Campo Magnético. Imanes. Polos. Masa Magnética. Ley de Coulomb. Intensidad

del campo Electromagnetismo

Electricidad

Desde muy antiguo, se sabía

que si a un material llamado

ambar se lo frotaba, éste era

capaz de atraer a otros

cuerpos. A partir del año 1600

se comenzó a llamar, a ese

fenómeno, con el nombre de electricidad. En el año 1808 un científico inglés de nombre John Dalton, publicó un libro titulado

“Un nuevo sistema de filosofía química”. En él, da cuenta de que existe una relación

entre la electricidad y la estructura de la materia, a través de varios experimentos.

Sin embargo, recién a fines del siglo XIX se pudo establecer esa relación. En esa

época se descubrió que los átomos estaban compuestos por subpartículas, mas

pequeñitas y livianas, que tenían carga eléctrica y por eso se las llamó electrones. A comienzos del siglo XX se descubrió que en los átomos existen otras subpartículas

con carga eléctrica, aunque opuesta a los electrones; se las llamó protones. Por

convención se estableció que los electrones tienen carga eléctrica negativa y que los

protones tienen carga eléctrica positiva. Dado que los átomos tienen carga eléctrica

nula, éstos deben tener en su interior la misma cantidad de electrones que de

protones. Pero un nuevo aporte a la estructura del átomo se hizo cuando se comprobó que la

suma de la masa de los protones y electrones de un átomo no llegaba a ser la mitad de

la masa total del átomo. Fue así que en 1932, se descubrió que existe una tercera

subpartícula, sin carga eléctrica, a la que se denominó neutrón.

El neutrón y el protón son subpartículas muy pequeñitas, su masa es de

0,00000000000000000000000167 gramos y el electrón es 1836 veces menor,

todavía.

PRINCIPIOS DE LA ELECTROSTÁTICA

Al fenómeno físico de la atracción y repulsión de cargas eléctricas se lo conoce hoy

como primer principio de la electrostática. Este principio dice: “Los cuerpos con cargas de igual signo se repelen, y los que tienen cargas de signos diferentes se


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atraen. Por tratarse de una interacción, las fuerzas que sienten ambos cuerpos son de igual intensidad, igual dirección y sentidos opuestos”. Comparada con la fuerza gravitatoria, la fuerza eléctrica es muy intensa. Un sistema

planetario es una estructura ligada por gravedad, ya que las fuerzas que predominan

en su constitución derivan de la interacción gravitatoria, la cual toma valores

significativos por la presencia de grandes masas. En los sistemas de tamaño menor,

por ejemplo el de los seres vivos, los átomos y las moléculas, las fuerzas que

predominan para explicar las uniones entre las distintas partes, son eléctricas.

El segundo principio de la electrostática es equivalente al principio de conservación

de la materia. Dice que la carga eléctrica no puede ser creada ni destruida.

Formalmente se enuncia: “La carga total, es decir, la suma algebraica de la carga positiva y negativa de todo sistema eléctricamente aislado, se conserva”.

ELECTRIZACIÓN

La principal fuente de electricidad con la que se contaba en el siglo XVIII eran las

máquinas por fricción. Hoy existen otros procedimientos para establecer un

desequilibrio entre las cargas eléctricas de los materiales son los métodos de carga

por contacto y carga por inducción.

En el método de carga por contacto, el desbalance eléctrico se produce

estableciendo el contacto entre un cuerpo cargado eléctricamente y otro neutro. La

carga eléctrica buscará distribuirse entre los dos cuerpos y al separarlos, ambos

cuerpos quedarán cargados con carga del mismo signo.

En el procedimiento de carga por inducción, el desequilibrio en la distribución de la

carga presente en un cuerpo es provocado por la aproximación de otro cuerpo cargado,

llamado inductor. En este efecto conocido como polarización, el desbalance

desaparece cuando se aleja el inductor. Si el signo de la carga del inductor es positivo,

entonces los electrones menos ligados a la estructura del material responderán a la

atracción electrostática. Se ubicarán en la zona más próxima posible al inductor.

Mediante un conductor, se puede descargar, normalmente a tierra, la carga de signo

contrario al que se desea conservar.


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Campo Eléctrico

CARGA ELÉCTRICA

La unidad de medida para la carga eléctrica es el coulomb [C], que por convención

equivale a un exceso o defecto de 6,25*1018 electrones; por lo tanto, la carga

eléctrica de un electrón es de 1,6* 10-19 C. Los protones tienen el mismo valor de carga

eléctrica sólo que positivo.

Así como los cuerpos generan un campo gravitatorio a su alrededor, por el sólo hecho

de poseer masa, las cargas eléctricas producen a su alrededor un campo eléctrico, por

el sólo hecho de poseer carga eléctrica. El campo eléctrico es un fenómeno físico que

produce, sobre las cargas eléctricas, una fuerza que las atrae o las repele de la carga

que originó el campo. Si tenemos una carga eléctrica, ésta generará un campo eléctrico

a su alrededor; si se acerca una carga del mismo signo, sobre ésta aparecerá una

fuerza que la repelerá; pero si se acerca una carga de signo opuesto, la fuerza que

sufrirá la atraerá a la carga original. Por supuesto, la segunda carga que aparece

también generará un campo eléctrico a su alrededor y la carga original también sufrirá

una fuerza eléctrica.

Si las cargas están muy próximas entre sí, las fuerzas serán mayores. En cambio, si las

cargas están muy separadas, las fuerzas se debilitan. De la misma manera, dos cargas

eléctricas atraerán o repelerán a otra con más fuerza, que una sólo. Por lo tanto, el

campo eléctrico será más intenso cuando se tengan mayores cantidades de cargas y

éstas estén muy próximas entre sí. La intensidad de campo eléctrico se calcula como:

Donde:

es la carga de un protón que se encuentra inmerso en el campo eléctrico generado

por otra/s cargas, en C.

es la fuerza que es ejercida sobre dicho protón

por estar inmerso en el campo eléctrico, en N.

es la intensidad de campo eléctrico en el punto del

espacio en donde su encuentra dicho protón, en N/C.

Por lo tanto, la intensidad de campo eléctrico varía

de un punto a otro del espacio.

Las flechas sobre F y E indican que son magnitudes

vectoriales, ya que el campo eléctrico se puede


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representar mediante un vector actuando sobre la carga, que indica que sentido tiene

el campo.

Al campo eléctrico se lo puede representar con unas líneas que, por convención salen

de las cargas positivas y entran en las negativas. Ellas indican la dirección del campo

en cada ubicación. El número de líneas indica cuán intenso es el campo, en donde se

encuentran muy juntas, su intensidad es mayor; y donde las líneas están muy

separadas, el campo es débil.

LEY DE COULOMB

En 1785, el físico Charles Coulomb encontró que la intensidad de las fuerzas

eléctricas que actúan sobre dos cargas

eléctricas es proporcional a la cantidad

de carga que éstas posean “q1 y q2” y es

inversamente proporcional al cuadrado

de la distancia “d” que separa a las

cargas. En símbolos:

Donde:

Las cargas se expresan en C, la distancia en m y la fuerza en N.

Y es conocida como constante electrostática, si las cargan se encuentran en el vacío,

su valor es k= 9*109 N*m2/C2.

Corriente Eléctrica

DIFERENCIA DE POTENCIAL

Cuando elevamos un objeto a una altura determinada respecto del suelo, estamos

efectuando un trabajo en contra del campo gravitatorio de la Tierra (que atrae a los

objetos) y en consecuencia, el objeto gana energía potencial gravitatoria.

Con las cargas eléctricas pasa lo mismo. Si se

hace mover una carga eléctrica en sentido

contrario al campo eléctrico, se está

realizando un trabajo sobre la carga, que se

traduce en una ganancia de energía potencial

eléctrica para ella. El trabajo que hay que

hacer depende de la posición inicial A de la

carga y de la posición a la que se la lleve B (no

es lo mismo en una zona con campo eléctrico

débil que una zona con campo intenso). Por


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eso, la variación de energía potencial eléctrica o diferencia de potencial se define

como: “el trabajo necesario para mover una carga “q” desde un punto A a un punto B dentro de un campo eléctrico”. Matemáticamente:

Donde:

es el valor de la carga eléctrica, en C.

es el trabajo o variación de energía potencial eléctrica, en J.

es la diferencia de potencial, en V [Volt].

El Volt [V], también conocido como Voltio, es la unidad de medida

con que el Sistema Internacional llama al “joule sobre coulomb”, en

honor al físico italiano que descubrió la pila eléctrica: Alessandro

Volta.

Si entre dos puntos del espacio (u objetos) existe una diferencia de

potencial de, por ejemplo 220 V, significa que el trabajo necesario

(o energía necesaria) para llevar una carga eléctrica de 1 C desde

uno de esos puntos hacia el otro, en contra del campo eléctrico, es

de 220 J.

Lógicamente, entre más intenso sea el campo eléctrico, más trabajo nos requerirá

transportar una carga en contra de dicho campo, y la diferencia de potencial obtenida

será mayor. El punto de llegada de la carga, que se mueve en sentido contrario al

campo eléctrico, tendrá mayor potencial que el punto de partida. Tal como sucede

cuando levantamos un objeto a cierta altura.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Denominamos corriente eléctrica a todo flujo

ordenado de electrones. Se produce una

corriente eléctrica cuando existe un camino

propicio entre dos puntos con diferencia de

potencial.

Sabemos que los electrones están ligados a un átomo a través de una fuerza

electrostática con los protones del núcleo. Si aparece una fuerza externa al átomo,

que es superior a la fuerza que lo liga a él, lo abandonará ionizándolo. Y el electrón

comenzará a moverse en la dirección que le imprime dicha fuerza externa. Si esto le

sucede a todos los átomos de un material, habrá millones de electrones moviéndose en

forma simultánea y ordenada, esto es una corriente eléctrica.

Los metales son conductores porque la fuerza que mantiene a los electrones unidos a

sus átomos es relativamente débil, cualquier fuerza externa más o menos intensa que

sufran, le arrancará los últimos electrones a cada átomo y se producirá una corriente

eléctrica. La fuerza externa debe ser producida por un campo eléctrico que se


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establezca a lo largo del metal y que produzca, entre un extremo y otro, una

diferencia de potencial.

En síntesis, para que exista una corriente eléctrica debe:

Existir una diferencia de potencial entre dos puntos del espacio.

Existir un camino que una a dichos puntos con diferencia de potencial.

Dicho “camino” debe ser lo suficientemente bueno como para que los electrones se

muevan fluidamente. Los materiales aislantes no permiten la conducción de los

electrones porque éstos están fuertemente ligados a sus átomos.

Si la diferencia de potencial es muy grande y el camino es lo suficientemente fácil,

ésta arrastrará una gran cantidad de electrones. Denominamos intensidad de

corriente eléctrica a la cantidad de cargas que atraviesa una determinada sección de material conductor por unidad de tiempo. Matemáticamente:

Donde:

es la cantidad de cargas que atraviesan una sección de conductor, en C.

es el tiempo en que lo hacen, en s.

es la intensidad de corriente, en A.

El sistema internacional le coloca el nombre de Amper [A] a la unidad derivada

Coulomb sobre segundo.

RESISTENCIA ELÉCTRICA

La diferencia de potencial casi nunca podrá “arrancarle” al último electrón al 100% de

los átomos que se encuentren inmersos en el campo eléctrico. Algunos se “resistirán” más que otros. Llamamos resistencia eléctrica a la oposición al paso de la corriente. El

átomo que se resiste a largar su electrón será un obstáculo a la circulación de los

demás electrones de la corriente, porque el electrón que se ha quedado los repelerá

(por acción electrostática). Entre más largo sea el camino a recorrer por la corriente,

mayor cantidad de “obstáculos” se encontrará; por lo tanto, la longitud “l” de los

cables es un factor que afecta la resistencia total. A mayor longitud mayor

resistencia tiene el cable.

La cantidad de “átomos resistentes” depende de cuán aislante o cuán conductor es un

material. Existe un factor llamado resistividad “ρ” que nos indica el grado de

resistencia de un material específico y que se encuentra tabulado.

Por otra parte, si el conductor tiene una gran sección “S” (es ancho), la corriente

tendrá un camino más espaciado para poder fluir. Esto favorece la circulación de

electrones y disminuye la resistencia de un cable.

La resistencia eléctrica de un cable se puede calcular como:


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Donde:

es la longitud de cable, en m.

es la sección del conductor, en m2.

R es la resistencia del conductor, en Ω.

ρ es la resistividad del material, en Ω*m.

Ω es una letra griega llamada “ohm” y utilizada por el Sistema Internacional para

indicar la unidad de medida de la resistencia eléctrica.

LEY DE OHM

La ley de Ohm dice: “la intensidad de corriente eléctrica es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor y es inversamente proporcional a la resistencia de dicho conductor”. En símbolos:

Donde:

(a veces se coloca V solo) es la diferencia de potencial, también conocida como

tensión eléctrica, en V [Volt].

es la intensidad de corriente eléctrica, en A.

R es la resistencia del conductor, en Ω.

La Ley de Ohm dice que si el cable tiene alta resistencia, la corriente que circule por

él será baja y viceversa. También que si la tensión es alta circulará más corriente,

pero si la tensión es baja circulará menos corriente.

Circuitos

Un circuito eléctrico es una serie de materiales que

conforman un camino cerrado para la conducción de la

electricidad. Los circuitos eléctricos constan de una

fuente que aporta energía y mantiene una diferencia

de potencial V entre los puntos A y B denominados

bornes. Puede ser, por ejemplo, una pila. Entre ellos se

conecta conectado un elemento que presenta una

resistencia eléctrica de valor R (pueden ser lámparas,

motores, etc.). Los tramos rectos suponen un

conductor que, idealmente, no presenta una resistencia significativa y por lo tanto se


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considera nula. En los circuitos reales, éstos son normalmente cables de cobre. Por el

circuito circula una corriente de intensidad I.

CIRCUITOS SERIE

Son aquellos suyas resistencias

están atravesadas por una misma

corriente, hay un único camino para

la corriente.

Aplicando la Ley de Ohm a cada

resistencia se tiene que:

Es decir que la energía total que entregan las fuentes se deben repartir entre las tres

resistencias, por lo tanto:

O lo que es lo mismo:

Sacando factor común “I”:

Por lo que la resistencia total equivalente de todo el circuito está dada por la suma de

las resistencias:

En los circuitos serie, cada resistencia recibe sólo una porción de la tensión de la

fuente y ésta depende del valor de dicha resistencia.

CIRCUITOS PARALELOS

Son aquellos que tienen a sus resistencias conectadas de tal forma que por ellas

circulan distintas corrientes. Cada resistencia supone un camino distinto para la

corriente. En todas las resistencias se aplica la misma tensión, que el la tensión de la

fuente. Por lo tanto, por Ley de Ohm:

La corriente total que deberá aportar la fuente deberá abastecer la que consume

cada resistencia, por lo que:


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O lo que es lo mismo:

Sacando factor común V, se tiene:

(

)

Despejando V:

(

)

Pasando I dividiendo:

(

)

Por Ley de Ohm

, la resistencia total. Por lo tanto:

(

)

LEYES DE KIRCHOFF

Para la resolución de circuitos eléctricos se debe tener en cuenta dos Leyes muy

importantes que son consecuencias de las leyes de conservación de la carga eléctrica y

conservación de la energía.

1era Ley de Kirchoff: En cualquier nodo o borne, la suma algebraica de las

corrientes que entran y salen vale cero.

2da Ley de Kirchoff: La suma algebraica de las tensiones de todos los

componentes de un circuito en una trayectoria cerrada, llamada malla de un

circuito, vale cero.

Magnetismo

Desde la Antigüedad se sabe que ciertos minerales de hierro

(magnetita) poseen la propiedad, denominada magnetismo, de

atraer limaduras de hierro. Se dice que tales minerales están

imantados.

La magnetita y otras sustancias que presentan este

comportamiento se denominan imanes naturales. Así mismo, ciertos


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materiales (el acero, por ejemplo) pueden adquirir artificialmente la propiedad de

atraer materiales magnéticos, constituyéndose así en imanes artificiales. En la actualidad, se sabe que cualquier fenómeno de atracción o repulsión magnética no

es otra cosa que una fuerza de acción a distancia, ejercida por una carga en

movimiento sobre otra carga que también está en movimiento. Para explicar el

comportamiento magnético de los imanes, se considera que, puesto que los electrones

son cargas eléctricas en movimiento, es lógico esperar que cada uno de ellos por

separado sea capaz de producir fenómenos magnéticos.

En la mayor parte de las sustancias estos fenómenos no se manifiestan, ya que, por

estar los átomos orientados aleatoriamente, las acciones de sus electrones se anulan

entre sí. Sin embargo, en los materiales magnéticos, los átomos poseen una orientación

tal que las acciones magnéticas de sus electrones se suman unas a otras,

presentándose entonces la posibilidad de visualizarse el fenómeno a nivel macro.

CAMPO MAGNÉTICO

Una carga eléctrica crea a su alrededor un campo eléctrico. Si la carga se mueve

produce además un campo magnético. Se sabe también que toda la carga eléctrica que

se mueva en el seno de un campo magnético experimenta una fuerza. Es decir, si se

tienen dos cargas eléctricas móviles no sólo están sometidas a la atracción

electrostática, sino que además actúan otras fuerzas que dependen de los valores de

las cargas y de sus velocidades. En una región del espacio se dirá que existe un campo

magnético cuando al penetrar en ella una carga móvil experimente una fuerza que

depende de la velocidad de la carga.

Al igual que los campos eléctricos, los campos

magnéticos pueden materializarse mediante líneas de

fuerza. Dichas líneas son curvas no cerradas, ya que

salen de una zona llamada polo norte y entran en una

zona llamada polo sur. Y es en las proximidades de

estos polos donde más apretadas se encuentran las

líneas de fuerza y, como consecuencia, donde con mayor intensidad se manifiestan los

fenómenos magnéticos.

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

La inducción magnética B o intensidad de campo magnético sobre un punto del espacio

es la fuerza que actúa sobre una unidad de carga positiva q, que se desplaza

perpendicularmente a las líneas de fuerza y con una velocidad v. Matemáticamente:


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Donde la fuerza se expresa en

N, la carga eléctrica en C y la

velocidad en m/s.

A la unidad resultante, el

Sistema Internacional de

Medidas lo denomina “Tesla” y

se simboliza con la letra T.

Si una carga se mueve dentro

de un campo magnético va a

experimentar una fuerza cuya dirección será perpendicular,

tanto a la dirección en la que se mueve como a la dirección

del campo magnético y hará que la carga se desvíe. En

cuanto al sentido, éste se puede determinar a través de la

regla de la mano izquierda, colocando el dedo mayor

apuntando en el sentido de la velocidad de la carga y con el

dedo índice apuntando en el sentido de las líneas de fuerza,

el pulgar señala el sentido de la fuerza que actúa sobre la

carga móvil.

FLUJO MAGNÉTICO

Es el número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie. Se representa

con la letra griega Φ. El flujo magnético es directamente proporcional a la inducción

magnética puesto que en aquellas zonas en las que el campo magnético es intenso,

habrá más líneas de fuerza apretadas. Por lo que, el flujo magnético se puede calcular

como:

Donde:

B es la inducción magnética, en T.

S es la superficie, en m2.

Φ es el flujo magnético, en T*m2.

El Sistema Internacional también le coloca nombre propio a esta unidad derivada. El

“Tesla por metro cuadrado” es denominado Weber y se simboliza con Wb.


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IMANES Los materiales que tienen un campo magnético más notable que la mayoría se

denominan imanes. Un imán puede ser natural o formado magnetizando un material con

propiedades magnéticas como lo es el hierro. Un material (cuyas propiedades lo

permitan) se magnetiza acercándolo a un campo magnético (por ejemplo a otro imán).

Los imanes tienen dos polos llamados Norte y Sur. Si se divide un imán, éste vuelve a

tener nuevamente dos polos.

En el interior de un imán, el campo magnético es generado por el movimiento es

generado por el movimiento de los electrones

Un imán tiene dos polos: el norte y el sur. Dado que un polo no puede existir de forma

aislada del otro, al romper un imán en dos se obtienen dos imanes, o sea, dos cuerpos

que constan de un polo norte y uno sur, cada uno. Sin embargo, si se produce dicha

fractura, la fuerza de atracción de cada parte es menor que la del imán original. La

fuerza resultante de la atracción entre dos polos forma líneas cerradas, que van de

uno a otro de manera ininterrumpida.


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POLOS MAGNETICOS TERRESTRES

Se conoce como polo magnético al conjunto de puntos del globo terráqueo que se halla

ubicado en las zonas polares y que, debido al campo magnético de la Tierra, ejerce

atracción sobre los elementos imantados. Las brújulas, por ejemplo, cuentan con

agujas que, por la imantación, siempre señalan al polo sur magnético.

Polo magnético

Los polos magnéticos no coinciden con los polos

geográficos: la ubicación de cada polo magnético,

de hecho, evidencia un desplazamiento frente al

eje geográfico del planeta. El ángulo que se crea

entre dicho eje y el eje magnético es representado

por la letra delta (del alfabeto griego) y se conoce

como declinación.

El magnetismo de la Tierra se debe a los

materiales de su núcleo: níquel e hierro. Esta

composición hace que la propia Tierra actúe como un inmenso imán, lo que explica el

funcionamiento de las brújulas. Debido a que los polos diferentes se sienten atraídos y

los idénticos se rechazan, la brújula se orienta al polo norte geográfico, que casi

equivale al polo sur magnético.

Durante mucho tiempo se especuló con que la inversión de los polos magnéticos de la

Tierra podría provocar grandes cambios en el planeta, incluso hasta llevarlo a su

destrucción. Los astrónomos, sin embargo, explican que dicha inversión es normal y se

lleva a cabo cada un cierto periodo (extenso) de tiempo.

Dicha inversión está ligada al debilitamiento del campo magnético terrestre, el cual

protege nuestro planeta de los peligrosos proyectiles de partículas cargadas y de la

radiación que proceden del Sol y del espacio. Este fenómeno, que pone nuestro planeta

en riesgo, se evidenció en el año 1980, gracias al trabajo de algunas misiones

científicas.


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Nuestros antepasados más remotos vivieron una inversión de los polos magnéticos,

aunque para ellos no significó el caos que podría representar en el presente, dado que

se verían comprometidas todas las tecnologías en las cuales se basa la vida moderna,

desde la telefonía móvil hasta Internet, pasando por los sistemas de posicionamiento

global (GPS). Hace 780.000 años, tuvo lugar una inversión completa, y algunos teóricos

se preguntan, en tono ciertamente irónico, si una alteración de este tipo podría

llevarnos de regreso a la Edad de Piedra.

Aunque toma miles de años que los polos se inviertan, nuestros satélites y el

suministro eléctrico de la Tierra pueden verse afectados en el proceso, y es por eso

que los expertos se pusieron manos a la obra a finales del 2013. La Agencia Espacial

Europa (ESA) puso tres satélites en órbita para monitorizar el campo magnético de

nuestro planeta durante cuatro años, en una misión que fue bautizada con el nombre

Swarm (que puede traducirse como Enjambre).

La misión Swarm tiene el objetivo de recoger tanta información como sea posible

acerca de los polos magnéticos terrestres para estudiar el funcionamiento del escudo

magnético y preparar una estrategia ante la catástrofe que significaría quedar

completamente expuestos a la radiación y las partículas solares.

Cabe destacar, por otra parte, que también se conocen como polos magnéticos a los

extremos de los imanes. En estos polos, la atracción que ejercen los imanes es más

potente que en el resto de su cuerpo.

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