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PRÁCTICA N Ú M E R O 1
MAGNETISMO
Objetivos específicos :
A. Identificar los diferentes métodos de imantación. B. Comprobar la ley fundamental del magnetismo. C. Comprobar la teoría de Weber.
Marco teórico
Magnetismo. Se refiere al estudio de los imanes y las propiedades magnéticas de la materia, independientemente de sus relaciones con la corriente eléctrica. Así mismo, es la propiedad que tiene el óxido ferroso férrico (Fe 304 ) conocida como piedra imán o (^) magnetita.
El poeta Lucrecio escribió en el siglo I a.C., la descripción del misterioso poder de la piedra imán, encontrada en Magnesia, una región de Asia menor. La piedra imán difería del ámbar ya que la primera atraía al hierro y no necesitaba frotarse. En el siglo XI, aproximadamente, los marinos chinos y los árabes ya usaban piedras imanes flotantes como brújulas. E l primer estudio sistemático de los de los imanes fue hecho por Pierre de Maricout en 1269 llamó a las regiones extremas del imán polos magnéticos. En 1600 William Gilbert extendió este trabajo y también hizo sugerencias importantes, acerca de que la tierra misma era un g i g a n t e s c o imán. El extremo de un imán de barra suspendido apuntando hacia el norte geográfico e s en si el polo sur magnético. En un imán los polos no están localizados en puntos precisos, sino más bien en regiones mal definidas cerca de los extremos del imán. Sí se intentan aislar cortando el imán, sucede una cosa curiosa, se obtienen dos imanes. No importa cuán delgada sea la rebanada del imán, cada fragmento siempre tiene dos polos (Teoría de Weber). Aún a niveles atómicos, nadie ha encontrado un polo magnético, llamado monopolo.
Los imanes pueden ser: naturales (óxido ferroso férrico) y artificiales (hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones). Estos a su vez se clasifican en permanentes (acero y aleaciones) y temporales (fabricados con hierro dulce). Actualmente los imanes se clasifican en ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. Los ferromagnéticos se magnetizan fuertemente (hierro, acero, níquel), paramagnéticos que se magnetizan débilmente (aluminio, platino, aire) y diamagnéticos que se magnetizan, débilmente, pero en dirección opuesta al campo magnético (bismuto, antimonio, mercurio ). Existen tres formas simples para imantar substancias magnéticas: frotamiento contacto e inducción.Si se dispone de varios imanes de barra con sus polos debidamente identificados se comprobará que "polos de un mismo nombre se rechazan y polos de distinto nombre se atraen’’. Esta se conoce como Ley fundamental del magnetismo. Existen sustancias que ·por ningún motivo adquieren las propiedades de la piedra imán y cuando se acercan a un imán, no son atraídas. A ellas se les conoce como sustancias antimagnéticas, por ejemplo, el plomo, el cobre y el oro.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCION DE EDUCACION MEDIA SUPERIOR
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y
TECNOLÓGICOS
No. 8 “NARCISO BASSOLS”
ACADEMIA DE FÍSICA
LABORATORIO DE FÍSICA IV
NOMBRE DEL ALUMNO: __________________________________ GRUPO: ____
EQUIPO: ____ TURNO: __________ FECHA: _________ CALIFICACION: ______
Material
1 Brújula
2 Imanes de barra
1 Nuez con gancho
1 Globo terráqueo
Clavos
1 Triple
1 Barra de hierro
1 Navaja
Desarrollo experimental
Experimento No. 1
Localización del polo norte magnético terrestre
- Dentro del globo terráqueo introduce un imán y arma el dispositivo de la figura 1.
- Coloca la brújula cerca del polo magnético geográfico y observa; después a la altura del ecuador y finalmente en el polo sur geográfico. Explica tus observaciones.
Figura 1
Experimento No. 2
Ley fundamental del magnetismo
Figura 2
acuerdo a la ley de los polos.
- Ahora corta transversalmente cada una de las dos secciones de la navaja y c omprueba con la brújula los polos de cada sección obtenida. Escribe tus observaciones.
Cuestionario
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del tema y los resultados experimentales observados.
- ¿Cuál fue la primera aplicación práctica que se le dio a los imanes?
- Escribe los métodos de imantación que se utilizan.
- Menciona tres materiales que se pueden imantar permanentemente.
- Según la teoría de Weber, ¿qué le sucede a un imán si este se va cortando en pedazos más pequeños?
- Enuncia la ley fundamental del magnetismo.
Conclusiones
Con base en los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos teóricos, escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
PRÁCTICA N Ú M E R O 2
ESPECTROS MAGNÉTICOS Y LÍNEAS DE INDUCCIÓN
Objetivos específicos:
A) Comprobar la existencia del campo magnético por medio del espectro magnético. B) Visualizar diferentes espectros magnéticos y líneas de inducción para diferentes imanes. C) Visualizar los espectros magnéticos para diferentes arreglos de imanes.
Marco teórico:
En el espacio o la región que rodea un imán existe un campo magnético, es una cantidad vectorial por lo tanto posee una magnitud y dirección, se manifiesta en tres dimensiones. En el cuál se dejan sentir las fuerzas originadas por el imán. El campo magnético está formado por un número infinito de líneas imaginarias llamadas líneas de fuerza o líneas de inducción magnética.
Es posible visualizar las líneas de inducción magnética en los alrededores de un imán. E n un imán de barra las líneas magnéticas se originan en el polo norte y entran en el polo sur; estas líneas son curvas, son continuas y nunca se cruzan entre sí.
Una forma experimental para visualizar el campo magnético de un imán es por medio de las limaduras de hierro, esparciéndolas sobre una hoja de papel o un vidrio que se coloca sobre el imán. Para que los fragmentos de limadura se orienten, se distribuye está sobre el vidrio o la cartulina. Las limaduras de hi erro en un campo magnético se comportan como pequeños imanes que se alinean entre sí a lo largo de las líneas de inducción magnética. La intensidad del campo magnético es máxima en los polos y lejos de ellos el campo magnético se vuelve más débil.
L a s l í n e a s q u e s e o b s e r v a n e n l a f i g u r a 1 , s e forman con la limadura de hierro se denomina "espectro magnético" y se dibujan dependiendo de la forma que posea el imán v e r f i g u r a 1.
Figura 1
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CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y
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No. 8 “NARCISO BASSOLS”
ACADEMIA DE FÍSICA
LABORATORIO DE FÍSICA IV
NOMBRE DEL ALUMNO: ______________________ ____________ GRUPO: _ ___
EQUIPO: ____ TURNO: ______ __ FECHA: ___________ CALIFICACION: ______
Experimento No.
Espectro magnético con dos imanes de barra del mismo polo
A) Repite el procedimiento de los experimentos anteriores del inciso A-C.
B) Coloca dos imanes de barra de manera que los polos del mismo nombre queden frente a
frente como se ve en la figura No.4.
C) Observa los campos magnéticos.
D) Dibuja los espectros magnéticos dibujando la dirección y sentido de las líneas de
inducción.
E) Escribe tus observaciones.
Figura 4
Experimento No. 4
Espectro magnético de dos imanes de barra con polos diferentes
A) Repite el experimento anterior pero ahora acerca los polos de diferente nombre.
B) Dibuja el espectro magnético e indica la dirección y sentido del campo
magnético con flechas.
C) Escribe tus observaciones.
Figura 5
Cuestionario
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del tema y los resultados experimentales observados.
- ¿Qué es el campo magnético?
- ¿Cómo puede comprenderse la existencia de un campo magnético?
- Explica que es una línea de inducción magnética y sus características.
- ¿Qué es un espectro magnético?
- ¿A qué se debe el ordenamiento de los fragmentos de limadura de hierro dentro de un campo magnético?
- ¿En qué región del imán aparecen más juntas las líneas de inducción magnéticas?
- ¿Qué disposición geométrica tienen las líneas de inducción magnética en la región media de un imán de barra?
- ¿Qué dirección tienen las líneas de inducción magnética en un imán?
Conclusiones
Con base en los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos teóricos, escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
Figura 2
Constante de permeabilidad del medio
La constante de proporcionalidad es la permeabilidad del medio a través del cual pasan las líneas de flujo. La permeabilidad del medio es una característica que constituye la medida de su capacidad para establecer líneas de flujo magnético. Cuanto mayor sea la permeabilidad del medio, más líneas de flujo pasarán a través de la unidad de área.
La permeabilidad del espacio libre (vacío) se denota por 0 y tiene la siguiente magnitud en
unidades del Sistema Internacional (SI).
7 0 4 10 7^ Wb^ 4 10 Tm A A
^
Los materiales magnéticos se clasifican de acuerdo con su permeabilidad, comparada con la que le corresponde al espacio vacío. La razón de la permeabilidad del material respecto a la
correspondiente al vacío se llama permeabilidad relativa y se expresa:
0
r
La r es adimensional es decir no tiene unidades.
Campo magnético en conductores
El experimento de Oersted demostró que una corriente, originan un campo magnético en el espacio que la rodea. A continuación se empezará a calcular los campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas.
La inducción magnética, o densidad de flujo, a una distancia perpendicular d en un conductor largo y recto por el que circula una corriente I , se puede calcular a partir de:
2
I B d
Figura 3
Campo magnético en el centro de una espira circular
La inducción magnética en el centro de una espira circular de radio r que transporta una corriente se calcula por medio de esta expresión:
2
I B r
Figura 4
Campo magnético en el centro de una bobina
Si el alambre forma parte de una bobina con N vueltas, la ecuación para calcular la densidad de flujo magnético, en el centro de la bobina es la siguiente, donde I es la intensidad de corriente eléctrica y r es el radio de la bobina_._
2
NI B r
Campo magnético en el centro de un solenoide
Un solenoide consiste en un devanado de muchas vueltas de alambre, enrolladas en forma helicoidal, como se muestra en la figura 5. La inducción magnética en el interior de un solenoide está dada por la ecuación que se muestra a continuación donde N es el número de espiras, I es la corriente en amperes y L es la longitud del solenoide en metros; B el campo magnético o densidad de flujo magnético en teslas.
NI B L
Figura 5
Material y equipo
1 fuente de poder o variac
1 fuente corriente directa
Cables de conexión
1 conductor recto
1 conductor en forma de espira
1 conductor en forma de hélice
1 Limadura de hierro
1 brújula
Cuestionario
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del tema y los resultados experimentales observados.
- Explica con tus propias palabras el experimento de Oersted.
- Explica Regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético.
- ¿Cómo es la magnitud de B en cualquiera de los círculos de radio d?
- ¿Cómo es el patrón de líneas del campo magnético en una espira?
- ¿Cómo son las líneas de fuerza en el interior del solenoide?
- Esta distribución de líneas de fuerza en el solenoide, ¿es similar a las que rodean a un imán de barra? Si ___. No ____. ¿Por qué?
Conclusiones
Con base en los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos teóricos, escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
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PRÁCTICA NÚMERO 4
FUERZA MAGNÉTICA SOBRE CONDUCTORES CON CORRIENTE
Objetivos específicos:
A) Comprobar que un conductor que transporta corriente dentro de un campo magnético
experimenta una fuerza.
B) Comprobar el principio de motor eléctrico de un conductor en forma de bobina.
Marco teórico:
Movimiento de una partícula con carga en un campo magnético uniforme
En un campo magnético B y dado un punto en el espacio es posible definir una fuerza magnética FB que
ejerce el campo sobre una partícula con carga que se mueve con una velocidad v. Para ello se supone que no
existen ni campo eléctrico ni campo gravitacional sobre la partícula. Los experimentos efectuados en diferentes
partículas con carga que se mueven en un campo magnético, proporcionan los siguientes resultados:
La magnitud de la fuerza magnética FB ejercida sobre la partícula es proporcional a la carga q y a la
rapidez v de dicha partícula.
Cuando una partícula con carga se mueve paralela al vector de campo magnético, la fuerza magnética que actúa sobre ella es igual a cero.
Cuando v de la partícula forma un ángulo 0 con el campo magnético B , la fuerza magnética FB
actúa en dirección perpendicular tanto a v como a B , luego FB es perpendicular al plano formado
por v y B como se muestra en la figura 1.
La magnitud de la fuerza magnética que se ejerce sobre una partícula en movimiento es proporcional a
sen , donde es el ángulo que del vector v de la partícula forma con la dirección de B.
Figura 1 Figura 2
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LABORATORIO DE FÍSICA IV
NOMBRE DEL ALUMNO:_____________________________________ GRUPO:_____
EQUIPO:____ TURNO:___________ FECHA:____________ CALIFICACION:_______
Donde:
La fuerza magnética FB se expresa en N
L a intensidad de corriente eléctrica I en A La longitud del conductor L en m
El campo magnético B en T
Momento de torsión sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme
Si un conductor que transporta una corriente y este es colocado en un campo magnético, se ejerce una
fuerza magnética. A partir de este punto, ahora una espira de corriente colocado en un campo magnético
ejerce un momento de torsión.
En una espira cerrada de alambre se suspende en un campo magnético y a través de ella circula una corriente, entonces la fuerza magnética produce un momento de torsión que tiende a hacer girar la espira, esta gira porque se ejerce una fuerza magnética a cada uno de los lados verticales. Estas dos fuerzas tienen la misma magnitud, pero en direcciones opuestas, de modo que la espira no experimenta una fuerza resultante en absoluto. Sin embargo, la espira experimenta un momento de torsión que la hace girar ya sea en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario dependiendo de la dirección de la corriente eléctrica.
Figura 4
El momento de torsión máximo es (^) máx I AB cuando el campo magnético es perpendicular a normal al plano
de la espira.
Si el campo magnético uniforme forma un ángulo 90 la magnitud del momento de torsión neto en relación
con O es: máx I ABsen donde A= ab es el área de la espira. Este resultado muestra que el momento de
torsión tiene su valor máximo (^) I AB cuando el campo es perpendicular al plano de la espira (^) ( 90 ) , y es
igual a cero cuando el campo es paralelo al plano de la espira ( 0 ).
Donde:
El momento de torsión máx se expresa en Nm
L a intensidad de corriente eléctrica (^) I en A
Área de la espira A en m^2
El campo magnético B en T
Material y equipo
1 columpio electromagnético 2 electrodos de ángulo recto 2 imanes magnéticos de barra 3 tripies con varillas metálicas 3 nueces dobles 1 imán tipo herradura
3 mordazas universales 1 bobina con clavijas cables para conexión 1 conductor movible con clavijas 1 motor de San Luis 1 fuente de corriente directa
Desarrollo experimental
Experimento 1
I. Conductor rector con corriente “Columpio magnético”
A. Construir el dispositivo que se muestra en la figura 5 a y b.
a) b)
Figura 5
B. Enciende la fuente y mueve únicamente la perilla de corriente eléctrica anota tus observaciones:
__________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
C. Repite el inciso A pero ahora invierte la polaridad de la fuente y escribe tus observaciones:
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
II. Partícula con corriente
Figura 6
A. Construir el dispositivo que se muestra en la figura 6.
B. Enciende la fuente y mueve únicamente la perilla de corriente eléctrica y escribe tus
observaciones: _____________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
C. Repite el inciso A pero ahora invierte la polaridad de la fuente y escribe tus observaciones:
___________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
III. Bobina con corriente
Figura 7
A. Construir el dispositivo que se muestra en la figura 7.
B. Enciende la fuente y mueve únicamente la perilla de corriente eléctrica anota tus observaciones:
__________________________________________________________________________________
PRÁCTICA NÚMERO 5
FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
Objetivos específicos:
A) Generar una fem inducida
B) Verificar que la corriente inducida en un conductor genera también un campo magnético, opuesta a la variación del flujo magnético que lo genera.
Marco teórico:
Los experimentos de Michael Faraday en Inglaterra en 1831 y los efectuados de forma independiente por
Joseph Henry en Estados Unidos, ese mismo año, mostraron que es posible inducir una fem en un
circuito utilizando un campo magnético variable. Los resultados de estos experimentos sirvieron como
base para enunciar una ley básica y muy importante del electromagnetismo que se conoce como la ley
de la inducción de Faraday.
Recordamos que el trabajo por unidad de carga representa la fem
W
q
. Cualquier dispositivo (batería,
pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de
alimentación, las unidades de fuerza electromotriz son los volts o voltios.
La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al
generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una
fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.
Con lo finalidad de observar lo descrito anteriormente, es posible inducir una fem debido a un campo
magnético cambiante, consideramos una espira de alambre conectada a un amperímetro sensible, como
se ilustra en la figura 1:
Figura 1
Cuando el imán se acerca a la espira, la lectura del amperímetro cambia desde cero en una dirección, de forma arbitraria con una desviación negativa.
Cuando se deja el imán en reposo y se le mantiene fijo en relación con la espira, se observa una lectura de cero.
Cuando el imán es alejado de la espira, la lectura en el amperímetro cambia en la dirección opuesta. Por último, si el imán se mantiene fijo y la espira se mueve ya sea hacia el imán o en dirección opuesta.
Debido a eso, parece existir una correspondencia entre la corriente y un campo magnético cambiante.
Estos resultados establecen que una corriente a pesar de que no existe una batería presente en el
circuito. A esta corriente se le conoce como corriente inducida , y es producida por una fem inducida.
La fem inducida se produce en la espira debido al campo magnético cambiante. En general, la fem
es directamente proporcional a la rapidez de cambio con el tiempo del flujo magnético a través de la
espira. Este enunciado, puede ser escrito matemáticamente como ley de inducción de Faraday
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TECNOLÓGICOS
No. 8 “NARCISO BASSOLS”
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LABORATORIO DE FÍSICA IV
NOMBRE DEL ALUMNO:___________________________________ GRUPO:______
EQUIPO:____ TURNO:__________ FECHA:___________ CALIFICACION:________
f 0 t t (^) f ti
^
Donde ε = fem media inducida en volts (V)
f
= flujo magnético final en webers (Wb)
0
= flujo magnético inicial en webers (Wb)
t = tiempo en que se realiza la variación del flujo magnético medido en segundos (s).
El signo negativo (-) de la ecuación se debe a la oposición existente entre la fem inducida y la
variación del flujo que la produce.
Las espiras de una bobina están en serie, por lo que sus fem se suman; debido a eso, la fem total
inducida en la bobina se conoce por la expresión:
N t
Material y equipo
1 galvanómetro
1 bobina de 600 espiras
1 bobina de 1700 espiras
1 imán de barra
2 núcleos de hierro
1 fuente de corriente directa
cables para conexión
1 motor generador
Desarrollo experimental
Experimento 1
Figura 2
Fem Inducida en una bobina dentro de un campo magnético
A. Conecta el galvanómetro a los bornes de la bobina de 600 espiras, ve la figura 2.
B. Introduce rápidamente el imán de barra por el lado del polo sur y manténlo dentro de la bobina,
observa lo que sucede: __________________________________________________________________
C. Ahora mueve el imán de izquierda a derecha en repetidas ocasiones y observa. Escribe tus
observaciones: _________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
Experimento 2
Principio del transformador
Figura 3
A. Introduce los núcleos de hierro en cada una de las bobinas
B. Conecta la bobina de 600 espiras a la fuente de corriente directa, ve la figura 3.
