Magnetismo

Magnetismo El magnetismo es una propiedad natural de la piedra de MAGNETITA, un mineral compuesto principalmente de cierto Fe O (óxido de hierro) se la denomina también imán natural. El termino “magnetismo” proviene de magnesia, una provincia costera de la Grecia antigua, donde se encontraron ciertas piedras llamadas “piedras imán” las cuales tenían la extraña propiedad de atraer piezas de hierro. En física el magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Cada electrón es por naturaleza un pequeño imán. En un material existen innumerables electrones que están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección creando una fuerza magnética que dependerá del número de electrones.

Imán Un imán es un material capaz de reproducir un campo magnético exterior y atraer al hierro, también al cobalto y al níquel. Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales como la magnetita o artificiales, obtenidas a partir de aleaciones de diferentes metales. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos, estos polos se denominan norte y sur ya que tienden a orientarse según los polos geográficos de la tierra.

Característica de un imán:  Atrae ciertos metales, principalmente el hierro.  La fuerza de atracción de un imán es sensiblemente más fuerte que la fuerza de atracción gravitatoria.  Si se ubica un imán cerca de otro imán, se ejerce cierta interacción mutua que puede ser de atracción o de repulsión, según sea la posición en que se ubique uno respecto del otro.  La fuerza de atracción de un imán con forma de barra se concentra en los extremos. Si un imán natural se introduce en limaduras de hierro, estos se adhieren a él, agrupándose de un modo característico, no se distribuyen uniformemente en toda la superficie del imán, sino que se concentran más en las esquinas que en el resto.  Es capaz de transmitir su capacidad de atracción a otros metales. Este fenómeno se denomina imantación o imanación.  Si se suspende un imán de un hilo fino o se lo apoya sobre un eje central de modo que pueda girar visiblemente en un plano horizontal tiende a colocarse siempre en la misma dirección.

Partes del imán: •

Eje magnético: Es la barra de la línea que une los dos polos.

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Línea neutra: Línea de la superficie de la barra que separa zonas polarizadas.

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Polos: Son las zonas de máxima atracción, los causantes de las fuerzas magnéticas. Todos los imanes tienen un polo norte y un polo sur. La interacción entre los polos de igual nombre se repelen mientras que los de nombre contrario se atraen. La separación de los polos es imposible, cuando rompemos un imán cada fragmento tiene su polo norte y su polo sur, esto se debe a la particular estructura de los imanes, que pueden considerarse como un conjunto de pequeños dipolos magnéticos, los que pueden estar organizados en regiones llamadas dominios magnéticos en estos existe una organización local de los dipolos de tal manera que siempre hay un polo norte y un polo sur resultante.

Ejemplo: Si partes de un imán a la mitad cada uno de las mitades se comporta como un imán completo. Si ahora partes estos trozos a la mitad, obtendrás cuatro mitades completas. Y puedes seguir partiendo los trozos a la mitad sin obtener jamás un polo aislado. Incluso cuando los trozos tienen un espesor de un átomo siguen teniendo dos polos. Esto sugiere que los propios átomos son imanes.

Campo Magnético Si tomamos un imán de barra y acercamos uno de sus polos a una mezcla de clavos de hierro y de aluminio los clavos de hierro son atraídos por el imán, mientras que los de aluminio no. Si hubiéramos acercado el otro polo, los resultados serian idénticos. No ocurriría lo mismo en la zona neutra del imán. Un imán produce una perturbación en el espacio que lo rodea dentro de la cual se manifiestan sus efectos, que se llama campo magnético. El campo magnético tiene existencia verdadera, posee masa y se desplaza a velocidad finita, y puede existir sin que haya objetos que lo produzca, como por ejemplo en las estrellas que han estallado y desaparecido hace ya muchos millones de años, pero cuya luz, la cual es un campo eléctrico y magnético sigue viajando por el espacio.

Experiencia: Materiales: *Hoja de papel *Limaduras de hierro *Imán barra Colocamos una hoja de papel sobre un imán de barra y espolvoreamos limaduras de hierro sobre él. Las limaduras tenderán a trazar un patrón ordenado de líneas alrededor del imán.

Las líneas del campo magnético revelan la forma del mismo, emergen de un polo rodean al imán y penetran en el otro polo. Las líneas del campo magnético presentan las siguientes características:  Las líneas de fuerza que enlazan los polos se continúan en el interior del imán, por lo tanto son líneas cerradas. No tienen principio ni fin.  Las lineas de fuerza salen del polo norte y entran en el imán por el polo sur.  Si se tiene un anillo de acero y se lo frota, siempre en un mismo sentido, con el mismo polo de un imán y luego se le acercan limaduras de hierro, se observara que no las atrae. Pero si se hace un corte al anillo, se comprobara que en los lugares donde se corto aparesen polos de nombre contrario, esto indica que un cuerpo puede estar imantado, como el anillo y no tener polos. Los polos aparecen en los lugares en que las líneas de fuerza pasan de un medio a otro, por ejemplo del metal al aire.

Dominios magnéticos El campo magnético de un átomo individual de hierro es tan intenso que las interacciones entre átomos adyacentes hacen que grandes, grupos de ellos se alineen entre si. A estos grupos de átomos alineados se les llama dominios magnéticos. Cada dominio esta formado por miles de millones de átomos alineados. Los dominios son microscópicos y en un cristal de hierro hay muchos. Como el alineamiento de los átomos de hierro dentro de los dominios, los dominios mismos se pueden alinear entre si. Sin embargo, no cualquier trozo de hierro es un imán. Eso se debe a que en el hierro ordinario, los dominios no están alineados.

Ej.: un clavo de hierro: los dominios en él están orientados al azar. Sin embargo, muchos de ellos se inducen a alinearse cuando se acerca un imán. Al retirar el clavo del imán el movimiento térmico ordinario hace que la mayor parte o todos los dominios, regresen a un ordenamiento aleatorio, sin embargo si el campo del imán permanente es muy intenso, el clavo puede conservar algo de magnetismo permanente propio, después de ser separado del imán. Los imanes permanentes se fabrican simplemente colocando piezas de hierro o de ciertas aleaciones de Fe en campos magnéticos intensos. Otra forma de fabricar un imán permanente consiste en frotar un trozo de Fe con un imán. El tratamiento alinea los dominios en el Fe. Si se deja caer un imán permanente o se calienta, algunos de los dominios se impulsan hacia fuera del alineamiento debilitándose el imán. Los imanes permanentes están relacionados con la propiedad de los materiales ferromagnéticos de “recordar” los campos magnéticos a los que han sido expuestos. La propiedad de algunos materiales de retener el magnetismo cuando están fuera del campo magnético (o sea la de “recordar” su historia) es la base del funcionamiento de las cintas de audio y video, los discos rígidos y los disquetes de computadoras y las tarjetas con banda magnéticas que se usan en los cajeros automáticos. Es tan útil convertir en un imán permanente un trozo de acero como quitar el magnetismo a piezas que lo hayan adquirido por accidente. Esto se conoce como desmagnetización.

Campo magnético de la tierra La primera explicación del funcionamiento de la brújula fue dado por William Gilbert en el año 1600, quien sugirió que la tierra se comportaba como un inmenso imán esférico, suponía que el interior terrestre contenía una gran cantidad de fe y por eso se comportaba como un imán, efectivamente el hierro es el elemento mas abundante en el interior de la tierra, pero este pierde su magnetismo permanente a temperatura cercana a los 770ºc, y el interior de nuestro planeta posee temperatura superiores, es por ello que la explicación brindada por Gilbert fue remplazada por la teoría de la dinamo que explica que la tierra no

puede ser un imán permanente, por esto su campo magnético debe tener origen en corrientes eléctricas que fluyen en su interior semifluido. El campo magnético de la tierra no ha sido siempre como es hoy, a través de cientos de millones de años ha tenido cambios, e incluso inversiones. Los geólogos lo saben gracias a la histéresis de las rocas ferromagnéticas, que guardan información sobre esas antiguas modificaciones. Las rocas ferromagnéticas formadas en cada época están lo suficientemente caliente como para no retener el magnetismo. Al enfriarse, quedan magnetizadas en la dirección del campo magnético terrestre del momento del enfriamiento. Por eso, el estudio de las rocas de desigual periodo permite conocer la dirección del campo magnético de la tierra en cada época. Así, se llego a saber que, en la historia de nuestro planeta, el campo magnético, se invirtió muchas veces. El fenómeno de inversión del campo magnético terrestre ocurre de una manera que aún no se sabe si es periódica o irregular. Los estudios paleo magnéticos han determinado que el fenómeno de inversión ocurre aproximadamente cada diez mil años. Tampoco se conoce con certeza las causas de las inversiones, quizás intervenga la actividad solar, mediante partículas cargadas que llegan a través del espacio. La inversión de los polos magnéticos no es exclusiva de la tierra. El campo magnético del sol se invierte con regularidad, cada 22 años. Este ciclo magnético de 22 años se ha relacionado, a través de la evidencia en tres franjas terrestres, con periodos de sequía en la tierra. Es interesante que el ciclo de 11 años de las manchas solares, conocida desde hace mucho, sea exactamente la mitad del tiempo en el que el sol invierte su polaridad magnética. Una brújula apunta al norte por que la tierra misma es un gigantesco imán. La brújula se alinea con el campo magnético de la tierra. Sin embargo, los polos magnéticos terrestres no coinciden con los polos geográficos, de hecho, están a gran distancia entre si. Esto quiere decir que las brújulas no apuntan, generalmente, hacia el norte verdadero. La discrepancia entre la orientación de una brújula y el norte verdadero se llama Declinación Magnética.

Propiedades magnéticas de la materia La razón por la cual algunos materiales presentan propiedades magnéticas se basa en el hecho de que sus partículas ya son pequeños imanes. Se sabe que el origen del magnetismo proviene del movimiento de las cargas eléctricas presentes en el los átomos. Si las cargas eléctricas están en reposo se genera un campo eléctrico solamente, pero, si entran en movimiento también se generara un campo magnético. El hecho de que una sustancia sea magnética o no, depende del movimiento de sus electrones. Los electrones están en constante movimiento. Hay dos clases de movimiento de electrones que contribuyen al magnetismo: • •

Girar en torno a su propio eje (spin), Girar en torno al núcleo del átomo (orbital)

En los imanes más comunes lo que más produce el magnetismo es el spin de los electrones. Cualquier electrón que gire es un imán diminuto. Un par de electrones que giran en la misma dirección forman un imán más fuerte. Sin embargo, si giran en direcciones opuestas son antagonistas, porque sus campos magnéticos se anulan. Es la causa de que la mayoría de las sustancias no sean magnéticas. Pero en materiales como el hierro, el cobalto, el níquel, el gadolinio y el disprosio, además de sus aleaciones, estos campos no se anulan totalmente. Mineral Cobalto Valor de 250 permeabilidad

Níquel 600

Fe-Común 6.10

Fe-Puro 2.10

Fe y Ni 10

Estos materiales se conocen con el nombre de FERROMAGNETICOS y se caracterizan por tener la propiedad de poder organizar todos los imanes elementales que los componen de modo que apuntan todos en el mismo sentido. Estos materiales presentan una elevada permeabilidad magnética, o sea que puedan ser imanadas. La permeabilidad puede interpretarse como la relativa facilidad con que un determinado material permite que lo atraviese las líneas de campo magnético. Esta propiedad es relativa respecto a la constitución del material.

En el primer grafico se muestra un trozo de hierro no magnetizado; en el segundo se puede observar como se modifica la orientación de los dominios del mismo trazo de hierro ya magnetizado. Hay otros materiales llamados PARAMAGNETICOS que solo presentan propiedades magnéticas cuando se encuentran dentro de un campo magnético, como es el producido por un imán, en este caso el material presenta magnetismo y es atraído por el imán. También hay materiales llamados DIAMAGNETICOS que son aquellos que son rechazados o repelidos por el imán. Entre estos podemos nombrar el Bismuto, Cobre, Oro, Plata, Plomo, Agua y muchos compuestos orgánicos.

Electromagnetismo: Es una rama de la física que se encarga de los fenómenos magnéticos asociados a los fenómenos eléctricos. Como una carga en movimiento produce un campo magnético, una corriente de cargas también produce un campo magnético. Experiencia: La experiencia de Oersted puede describirse de la siguiente manera: haciendo pasar una corriente por un conductor, colocado próximo a una aguja imantada, se observa que, en general, la aguja se desvía de su posición de equilibrio. Cuando la aguja magnética coincide con la dirección de un meridiano terrestre, si se dispone el conductor eléctrico paralelamente a ella, se advierte que la aguja tiende a colocarse en forma perpendicular al conductor. Si se invierte el sentido de la corriente en el conductor, se observa que la aguja se desvía en el sentido opuesto a como lo había hecho anteriormente. Se hace evidente, entonces, que mientras la electricidad en reposo no ejerce ninguna influencia sobre el magnetismo en reposo, entre este y la electricidad en movimiento se ejercen, por el contrario, acciones reciprocas. El mismo Oersted señalo que el efecto magnético no puede estar confinado en el alambre conductor, sino que esta dispuesto en todo el espacio circundante; de esta manera, el investigador dinamarqués brindo el primer indicio sobre la existencia del campo magnético.

Los experimentos de Oersted despertaron la curiosidad de otros científicos y comenzó a realizarse una serie de importantes experiencias. El astrónomo francés Dominique F. Aragón (1786-1863) y su amigo Louis j. Gay Luzca (1778-1850) comprobaron que las corrientes no solo desviaban la aguja imantada, sino que magnetizaban el acero. Tal efecto se acentuaba si se plegaba el alambre conductor en forma de espiral y se introducía en su interior la varilla de hierro que se iba a magnetizar. Mediante este procedimiento se hallo el principio que daría origen al electroimán.

Electroimán: Al enrollar una alambre sobre un clavo de hierro y hacer circular por este dispositivo corriente eléctrica, el clavo, se magnetizara; este dispositivo entonces adquiere propiedades magnéticas, transformándose en un electroimán. Entonces un electroimán es un imán no permanente cuya acción dura mientras se produce pasaje de corriente por el solenoide. Solenoide: Todo embrollamiento en forma de bobina como resorte, espiral de cuaderno, etc. Faraday pensó que si una corriente eléctrica podía generar un imán, también podía pasar lo inverso, a partir de un imán generar corriente eléctrica. A esto se lo conoce como inducción electromagnética. Cuando se tiene un imán permanente, como los imanes en herradura o los imanes en barra, este genera un campo magnético a su alrededor que resulta ser constante mientras el imán no se mueva. Pero si el imán se desplaza, se tendrá un campo magnético variable. Para que se produzca electromagnetismo o para que se produzca inducción, es necesario que se generen campos eléctricos y magnéticos variables.

Inducción electromagnética:

Para el año 1800, Hans Christian Oersted (1777-1851) demostraba que los fenómenos eléctricos estaban íntimamente relacionados con los magnéticos. Uno de sus descubrimientos fue muy significativo: al enrollar un alambre sobre un clavo de hierro, y hacer circular por este dispositivo una corriente eléctrica, el clavo se magnetiza. Es decir, que el dispositivo adquiere propiedades magnéticas, y se transforma en un electroimán. Michael Faraday pensó que si con una corriente eléctrica se podía generar un imán, entonces seria posible el proceso inverso, es decir, con un imán generar una corriente eléctrica. Tardo unos 20 años en demostrar su idea, que se conoce como inducción electromagnética.

Faraday y la inducción electromagnética Faraday observo lo que sucedía si se hacia una bobina de alambre, similar a la del electroimán, pero se le colocaba un imán en su interior. Mientras el imán estuviese en reposo respecto de la bobina, nada ocurría, es decir, no se producía electricidad. Pero si el imán se movía, se veía que entre los extremos de la bobina se producía una corriente eléctrica. Así, Faraday había descubierto la inducción electromagnética.

Aplicaciones tecnológicas

 Utilización de los electroimanes

*Timbre eléctrico: En este tipo de artefactos se utilizan electroimanes. Con el circuito abierto no pasa corriente y el electroimán no actúa. Al cerrar el circuito apretando el pulsador, el electroimán se convierte en imán y atrae la varilla metálica que golpea la campanilla. En ese momento se abre el circuito y cesa la atracción, la varilla metálica vuelve a su posición inicial y cierra nuevamente el circuito. El proceso se repite mientras se mantiene pulsado el interruptor.

*Telégrafo: Este aparato consta de un transmisor que posee un electroimán y un receptor que también posee otro electroimán. Cuando se cierra el circuito, el electroimán atrae la palanca, mientras que la punta entintada deja la marca en la cinta de papel. Al dejar de accionar el manipulador, la palanca vuelve a la posición inicial por el resorte que posee.

*Relé (relais): este dispositivo es utilizado para abrir o cerrar circuitos a distancia, mediante electroimanes. Son de gran aplicación en el arranque de motores y de cualquier otro tipo de

circuitos eléctricos, como la llave automática del portero eléctrico. En automóviles se usa para el encendido de la luz larga y cierre simultaneo de la corta.

*Elevadores de carga: Son grúas magnéticas, que no necesitan ni cadenas ni sogas para sostener sus cargas. Se utilizan para levantar lingotes de acero en laminadoras de metales, en la carga y descarga de carriles ya armados, vagones, locomotoras, etc.

*Freno de ascensores: Los ascensores y las grúas poseen frenos de origen electromagnético. Las zapatas del freno están abiertas o separadas por la acción del electroimán. Cuando se

corta el circuito por un inconveniente producido, el electroimán no actúa y permite que resortes convenientemente dispuestos obliguen a las zapatas a actuar sobre la superficie del tambor giratorio y se produzca el frenado. Una vez solucionado el inconveniente, las zapatas son vueltas a su posición primitiva mediante la acción del electroimán.

*Tablero comando de ascensores: cuando oprimimos el pulsador de la botonera de un ascensor para subir o bajar estamos accionando un relé, este cierra el circuito que a través de contactores, que son relés de mayores dimensiones, accionan el motor y el electroimán que libra al freno y el ascensor se pone en marcha. Al llegar al piso establecido una palanca o patin que lleva la caja del coche del ascensor acciona un interruptor que desactiva el contacto del relé, el motor y el electroimán del freno, un resorte acciona entonces las zapatas del freno electromagnético y se produce el frenado del ascensor.

*Videograbadoras: Es un aparato compuesto por cintas magnéticas, y cabezales magnéticos. En las cintas magnéticas se graban las señales de audio y video, estas cintas deben ser muy rígidas en cuanto a elasticidad ya que las cabezas grabadoras deben penetrar en ellas para evitar fallas y pérdidas de señal. Las cabezas o cabezales magnéticos son elementos transductores destinados a transformar la señal eléctrica en polaridad magnética de valor proporcional al nivel de la señal recibida y posteriormente a leer la polarización magnética contenida en la cinta grabada generando una tensión proporcional a ese valor magnético.

*Disco rígido magnético: La memoria secundaria de una computadora se funda en el disco magnético. La escritura o grabado magnético se basa en el principio de inducción electromagnética. El proceso de grabación del disco magnético parte de un disco metálico de aluminio recubierto de una suspensión de oxido de hierro. Este oxido esta constituido por partículas en forma de agujas, cada de las cuales es un dipolo o imán elemental y crea un campo magnético. Los átomos de hierro de cada partícula poseen cada uno su campo magnético y por su forma las partículas tienden orientarse según su eje mayor. La magnetización es máxima si todas las agujas están alineadas, es decir sus polos nortes o los polos sur se orienten en la máxima dirección. de este modo las agujas o dipolos se sitúan en forma mas o menos paralelas entre si y casi perpendiculares al radio del disco. Este el llamado proceso de dar formato ( format ) y consiste en ordenar las pistas para grabar.

*Teléfono: Consta de un transmisor y un receptor. El receptor consiste en un imán con un bobinado delante del cual se coloca una lamina de hierro dulce de gran flexibilidad que vibra cuando hablamos frente a ella, estas vibraciones modifican el flujo de inducción como al mover un imán y por lo tanto se originan corrientes inducidas que se transmiten por el cable conductor hasta el receptor, formado también por un imán bobinado y frente al cual existe otra placa flexible de hierro dulce. Las vibraciones de corriente actúan sobre ese bobinado modifican el campo y provocan atracciones y repulsiones de la placa, que se traducen en el sonido emitido.

Teléfono magnético ideado por Grahanm Bell *Micrófono: Es un aparato que se intercala en un circuitocuya fem es modificada al hablar delante de él. El microfono consiste en una lámina de metálica flexible que al vibrar ejerce presión sobre pequeños trozos de carbón colocados convenientemente en un recipiente cilíndrico. Estos granos de carbón modifican su resistencia eléctrica al ser presionados y por lo tanto hacen variar la intensidad de la corriente que circula en el circuito. De tal modo se produce una variación del flujo de inducción en el imán receptor, que se traduce en el sonido emitido frente a él.

MAGNETISMO

Profesor: Hugo Días Materia: Física y elementos de astronomía y laboratorio II Carrera: Profesorado de Cs Naturales para el tercer ciclo de EGB y la educación polimodal en Física Alumnos: Laura Camarasa Karina Clementin Federico Cao Cintia Giuliani Viviana Lopez Guadalupe Ojeda