Trabajo De INVESTIGACIÓN

Magnetismo y Electromagnetismo

Integrantes: Bryan Gordillo Carlos Imaicela Jessica González

Gabriela Mendieta Ángel Torres Darío Valarezo

Docente: Ing. Iván Martínez Espinosa.

Fecha de Entrega: 15-Enero del 2013.

Loja-Ecuador 2012-2013

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Magnetismo y Electromagnetismo

Magnetismo:

Acción del campo magnético Intensidad del campo magnético Fuerza magnética Inducción Magnética Regla de la mano derecha Materiales Magnéticos

o Polos magnéticos:

Polos de los imanes-Ley de polos Geomagnetismo-Campo magnético terrestre.

Electromagnetismo:

Acción de un campo electromagnético Fuerza magnética sobre conductores con corriente eléctrica. Momento de torsión. Campo magnético de una corriente rectilínea Campo magnético de una corriente circular Campo magnético de un solenoide Campo magnético solenoide con corriente. Flujo magnético Inducción electromagnética-Fuerza Electromotriz inducida Ley de Faraday y Ley de Lenz Auto inducción Inducción mutua Reglas de la mano derecha para campos electromagnéticos Ondas Electromagnéticas

Aplicaciones:

Motor Eléctrico Generador Eléctrico Propulsión: magneto hidrodinámica Electroimán Brújula Galvanómetro (Amperímetro-Voltímetro) Transformador Detector de Metales Vehículo híbrido Radar Radiotelefonía

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Magnetismo y Electromagnetismo

Magnetismo:

Fuerza Electromagnética entre dos Imanes (Polos Opuestos)

Acción del campo magnético:

Un campo magnético es una cantidad vectorial, que se forma por las interacciones magnéticas producidas por ciertos materiales, como los imanes. Dicho campo siempre rodea a estos materiales. Además se llegan a producir campos magnéticos cuando las cargas eléctricas están en movimiento, como las corrientes eléctricas en circuitos y los electrones alrededor de un átomo. La dirección de un campo magnético en cualquier lugar, es la dirección hacia donde apuntaría el norte de una brújula si esta se colocara en ese lugar. La magnitud de un campo magnético se define en función de la fuerza magnética que se ejerce sobre una carga eléctrica en movimiento.

Las partículas cargadas en campos magnéticos uniformes describen trayectorias de arcos circulares.

Intensidad del campo magnético:

Cuando hay una fuerza magnética y que se debe a la interacción entre la carga en movimiento y el campo magnético; nos indica que un campo magnético puede ejercer una fuerza sobre una partícula eléctricamente cargada en movimiento. La unidad de medida en el SI del campo magnético es el TESLA.

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Fuerza magnética: Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. La fuerza magnética es cero cuando la velocidad de la carga y el campo magnético son paralelos entre sí. La fuerza alcanza su máximo valor cuando esos dos vectores son perpendiculares. Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes convencionales existen micro corrientes, que macroscópicamente dan lugar a líneas de campo magnético cerradas que salen del material y vuelven a entrar en él. Los puntos de entrada forman un polo y los de salida el otro polo.

Inducción Magnética:

Se llama inducción magnética al fenómeno por el cual determinadas sustancias se imantan al encontrarse en un campo magnético.

Regla de la mano derecha: La dirección de la fuerza magnética sobre cualquier partícula cargada en movimiento se determina por la orientación de la velocidad de la partícula en relación con el campo magnético. La regla de la mano derecha para fuerzas sobre cargas en movimiento nos dice que si el pulgar indica la dirección del campo magnético y el dedo mayor la dirección de la velocidad de la carga, el dedo índice indica la dirección de la fuerza sobre la carga. Si la carga eléctrica es negativa la dirección de la fuerza es contraria a la indicada por el dedo índice. Así mismo la fuerza magnética es proporcional a la carga y a su velocidad y al seno del ángulo que forma la velocidad con el campo magnético.

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Materiales Magnéticos:

o La teoría cuántica moderna dice que el magnetismo del tipo permanente, como el que presenta un imán recto de hierro, se produce por el espín del electrón. En la física clásica se compara un electrón con un espín.

o Los materiales ferromagnéticos poseen campos magnéticos

que se deben a los espines del electrón (produce el magnetismo en un material) en los átomos individuales que no se anulan. Cada átomo tiene un momento magnético cuyas interacciones entre ellos producen un dominio magnético. Los espines electromagnéticos están eliminados en la misma dirección y se produce un campo magnético neto relativamente fuerte.

o El magnetismo que adquiere el cuerpo aumenta el aumentar el

campo magnético, pero llega un momento en el que el cuerpo

no adquiere magnetismo adicional, se dice entonces que el

cuerpo está saturado.

o Las sustancias que se imantan en el mismo sentido que el campo magnético reciben el nombre de paramagnéticas; se orientan paralelamente al campo magnético, (oxigeno, hidrogeno), y si el magnetismo que adquieren es muy fuerte se llaman ferromagnéticas (hierro cobalto, níquel).

o Algunos de ellos son: la Magnetita, material que presenta

magnetismo; ferromagnéticos como: Hierro, Níquel y Cobalto; y como aleaciones: el gadolinio, Neodimio y otras.

o El hierro dulce pierde su magnetismo al suprimir el campo

magnético, siendo un imán temporal, pero el acero permanece

imantado aun después de suprimir el campo magnético

o Polos magnéticos

Polos de los imanes-Ley de polos:

Un imán es un cuerpo que posee dos polos o fuerzas magnéticas

diferentes.Un imán consta de dos polos, denominados polo norte

y polo sur, o, alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los

polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

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Se los considera positivo y negativo, ya que las líneas del campo

magnético tienen las mismas propiedades que las líneas del

campo eléctrico producido por una carga.

En el polo Norte de un imán permanente, tenemos un remolino

de electrones girando en sentido contrario a las agujas del reloj,

con una carga magnética negativa.En el polo Sur de un imán hay

un remolino de electrones que gira en el sentido de las agujas del

reloj, con una carga magnética positiva.

Es imposible separar los polos de un imán, ya que si partimos un

imán en dos obtendremos dos imanes, cada uno con su propio

conjunto de polos. Al igual que no podemos obtener un imán con

un polo mayor a otro, ya que ambos polos poseen el mismo

campo magnético, según la tercera ley de Newton son dos fuerza

iguales y contrarias.

Geomagnetismo-Campo magnético terrestre:

El geomagnetismo se ocupa del estudio del campo magnético terrestre, tanto de su generación como de su variación espacial y temporal.Dentro de su estudio distingue entre campo interno y campo externo. Intenta buscar una explicación para la generación y mantenimiento de un campo magnético propio y para las variaciones espaciales y temporales detectadas en la superficie terrestre, basándose en la teoría de la dinamo. La Tierra posee un polo norte geográfico y un polo sur geográfico; pero esto no nos indica porque un polo norte de un imán es atraído hacia el polo norte de la Tierra, tendrían que repelerse. Bueno esto se debe a que junto al polo norte geográfico se encuentre el polo Sur magnético de la Tierra, y al mismo tiempo junto al polo sur geográfico se encuentra el polo Norte magnético de la Tierra. El campo magnético de la Tierra está rodeado por una región llamada la magnetosfera. La magnetosfera previene que la mayoría de las partículas del Sol, que se trasladan con el viento solar, choquen contra la Tierra. Algunas partículas del viento solar pueden penetrar la magnetosfera. Estas partículas dan origen a los espectáculos de luces de la Aurora.

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Electromagnetismo:

El electromagnetismo es una teoría de campos. Las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, y campos magnéticos. Acción de un campo electromagnético:

Un campo electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, producido por aquellos elementos cargados eléctricamente, que afecta a partículas con carga eléctrica.

Fuerza magnética sobre conductores con corriente eléctrica:

Si un alambre conductor de cobre se coloca entre los polos de un imán, es decir, el conductor se sumerge en el campo magnético del imán, donde la posición del alambre está representada por la línea punteada AB. Si no hay corriente en el alambre de cobre, se observa que el campo magnético no ejerce ninguna acción sobre ese conductor.

Sin embargo, si el alambre fuera conectado a una pila, de manera que se establezca una corriente continua, inmediatamente el alambre sufrirá un desplazamiento hacia arriba. Eso indica que sobre él actuó una fuerza magnética (ejercida por el campo magnético) perpendicular al alambre y dirigida hacia arriba.

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Si el sentido de la corriente en el alambre fuera invertido, advertiremos que la fuerza magnética continuará actuando perpendicularmente al alambre, pero en sentido contrario al anterior dirigido hacia abajo.

También se observa que el sentido de la fuerza en el alambre estará invertido cuando se invierten las posiciones de los polos norte y sur del imán (se invierte el sentido de las líneas de inducción del campo magnético, que es la magnitud física que expresa el campo imanador producido por una corriente).

Momento de torsión:

En el magnetismo se ejercen fuerzas magnéticas y momento de torsión. Por ejemplo si tenemos una espira que rota libremente alrededor de un eje, no se produce fuerza ni momento de torsión netos, cuando las fuerzas sobre ellos son iguales y opuestas y están en el plano de la espira. Las fuerzas iguales y opuestas sobre los dos lados de la espira que son paralelos al eje de rotación, aunque no produzcan fuerzas netas si producen un momento de torsión neto.

La unidad en el sistema Internacional es el ampere por metro al cuadrado. El momento de torsión magnético tiende a alinear el vector momento magnético con la dirección del campo magnético.

Campo magnético de una corriente rectilínea:

El campo magnético de una corriente rectilínea esta representado por líneas de fuerza circulas perpendiculares al conductor y con su centro sobre el mismo.

Campo magnético de una corriente circular:

Las líneas de fuerza que representan el campo magnético de una corriente circular o espira son también cerrados y concatenan con la corriente pero no son circulares. Para dar el sentido a la fuerza se emplea la regla de la mano derecha.

Campo magnético de un solenoide:

Se llama solenoide al sistema formado por varias corrientes circulares

paralelas por las que circula la misma corriente. Para determinar el

sentido de las líneas de fuerza se emplea la regla de la mano derecha.

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El campo magnético de un solenoide es idéntico al de un imán recto que

coincide con su eje y cuya línea S-N esta en el sentido de las líneas de

fuerza interiores. El polo N de un solenoide es por donde salen las líneas

de fuerza y el polo S es por donde entran las líneas de fuerza.

El campo magnético alrededor del centro de un solenoide es

prácticamente uniforme.

Flujo magnético: Es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. Es decir, es la cantidad de líneas de campo magnético que pasan por dicha área particular (el área de una espira por ejemplo).

La unidad del flujo magnético en el Sistema Internacional es el Weber se

abrevia Wb. Corresponde al flujo magnético de un tesla perpendicular a

una superficie de 1 m cuadrado.

Inducción Electromagnética-Fuerza Electromotriz inducida:

La fuerza electromotriz es toda causa capaz de mantener una diferencia

de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una

corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de

cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la

existencia de un campo electromotor cuya circulación, define la fuerza

electromotriz del generador.

Podemos crear una corriente inducida, al acercar y alejar al mismo tiempo

un imán de una espira, ya que se presenta un cambio en el campo

magnético que hace que las cargas se muevan.La femi (fuerza

electromotriz inducida) existe solamente mientras el flujo de inducción

está variando, anulándose tan pronto cesa la variación de flujo. La

variación de flujo puede deberse a un movimiento del circuito, una

variación del campo magnético, ambas cosas a la vez.

Se produce una fem inducida si:

- Cambia la intensidad del campo magnético

- Cambia el área de la espira

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- Cambia el ángulo entre el área de la espira y la dirección del campo

Ley de Faraday y Ley de Lenz:

La ley de Faraday nos habla sobre la inducción electromagnética, la que origina una fuerza electromotriz en un campo magnético, que depende de la rapidez de cambio del flujo magnético por todas las vueltas de una espira.

La Ley de Lenz enuncia que una fem inducida es una espira de alambre tiene una dirección tal que la corriente que origina genera su propio campo magnético, que se opone al cambio de flujo magnético que pasa por esa espira o bobina.

Auto inducción:

El campo magnético producido por un circuito crea a través del mismo un flujo magnético. Al variar la corriente en un circuito varía también ese flujo magnético lo que da lugar a una femi. Se llama autoinducción al fenómeno de la inducción de una f.e.m. en un circuito a causa de la variación de la corriente en el mismo. La autoinducción depende de su forma geométrica siendo muy grande en los multiplicadores y solenoides. El sentido de la fem, auto inducido es tal que se opone a la variación de la corriente en el circuito.

Inducción mutua:

Si el flujo magnético que concatena con una corriente es producido por otra corriente también se presenta el fenómeno de la inducción electromagnética. la inducción de una fem en un circuito debido a la variación de la corriente en otro circuito se denominan inducción mutua. La inductancia mutua depende de la configuración de los circuitos así como del medio en que están inmersos.

Reglas de la mano derecha para campos electromagnéticos o El sentido en el cual se aplica la fuerza sobre un conductor con

corriente esta dado por la siguiente regla: “cuando los dedos de la mano derecha apuntan en la dirección de la corriente convencional, y después se curvan hacia el vector del campo magnético, el pulgar extendido apunta en dirección de la fuerza magnética sobre el conductor”.

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o El sentido en el cual se mueve el campo magnético en un conductor se puede determinar con la siguiente regla: “se agarra el conductor con la mano derecha de modo que el pulgar indique el sentido de la corriente, los dedos indican el sentido en que se mueve el campo magnético”.

o La dirección de la corriente inducida se establece con la siguiente regla: “cuando el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección del campo inducido, los demás dedos apuntan en dirección de la corriente inducida”.

Ondas Electromagnéticas: Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía. Toda carga eléctrica en movimiento crea un campo magnético y un campo eléctrico, cuyas características depende de la velocidad de la carga y la dirección de su movimiento. Con dichos campos magnético y eléctrico va asociada una energía, que es la energía electromagnética de la carga. Al variar la velocidad de la carga, su campo electromagnético se modifica. Para producir la variación es necesario enviar al espacio circundante la energía electromagnética suficiente. A medida que se va propagando, la energía electromagnética va alternado el valor del campo electromagnético en los puntos por donde pasa. El fenómeno constituye una onda electromagnética. Toda carga eléctrica acelerada emite ondas electromagnéticas. Los circuitos oscilantes emiten ondas electromagnéticas Toda onda electromagnética plana esta constituida de campos magnético y eléctrico perpendiculares a la dirección de propagación. Todas se propagan en el vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000 km/s) pero no infinita. Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos.

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Aplicaciones:

Motor Eléctrico:

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos electromagnéticos variables.

Generador Eléctrico: Es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica se produce ya sea por combustión de fósiles (derivados del petróleo), fisión nuclear o con agua como en las plantas hidroeléctricas.

Propulsión magneto-hidrodinámica: La propulsión magneto-hidrodinámica ocurre cuando pasa una corriente eléctrica por agua de mar, con un voltaje de corriente continua. Un campo magnético ejerce una fuerza sobre la corriente empujando al agua hacia afuera del submarino o bote, la fuerza de reacción es la que empuja al cuerpo. Se la utiliza en los submarinos con el fin de no ser detectados por los radares.

Electroimán: Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. El electroimán común consiste en devanar un alambre de cobre en torno a un núcleo de hierro que puede ser de clase suave o duro según las necesidades requeridas.

Brújula: Consiste en un imán, cuyo polo norte se orienta siempre hacia el polo norte geográfico terrestre. Ya que junto al polo note geográfico terrestre se encuentra el polo magnético sur.

Galvanómetro (Amperímetro-Voltímetro): El amperímetro es un dispositivo que se utiliza para poder medir el nivel de intensidad de corriente que pasa a través de un conductor. Se lo conecta en serie en un circuito. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Se lo conecta en paralelo en un circuito.

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Transformador: Es un dispositivo eléctrico el cual permite cambiar el voltaje de una red eléctrica, con el único propósito de aumentar o disminuir el potencial o la fem. Consiste en dos bobinas de alambre aisladas, que constituyen la bobina primaria y la bobina secundaria, devanadas en un mismo núcleo de hierro laminado (el cual se utiliza para evitar las corrientes parasitas). Solo sirve en circuitos con corriente alterna ya que se basa en la inducción electromagnética.

Detector de Metales:

Consta de dos bobinas una externa, la cual emite ondas electromagnéticas que chocan contra objetos enterrados; e interna la cual recibe las ondas y emite una señal por medio de circuitos electrónicos.

Vehículo Híbrido: Es un nuevo tipo de automóvil el cual está diseñado con un motor eléctrico y un motor a gasolina; los cuales le dan una mayor potencia.

Radar

Una aplicación de las ondas electromagnéticas es la de localizar objetos

distantes y no visibles, o en movimiento, constituyendo el radar. El cual

transmite ondas cuya longitud esta comprendida entre 3-300 cm con una

frecuencia de 100-10000 MHz. Estas ondas se llaman microondas.

Las cuales pueden concentrarse en haces estrechos y por consiguiente

dirigirse hacia regiones determinadas, para ello se emplean antenas

direccionales.Las microondas son reflejadas por los objetos sobre los

cuales incide, para luego ser recibidos por la antena. Midiendo el tiempo

transcurrido entre la emisión y recepción de las ondas se puede calcular la

posición del objeto.

Radiotelefonía

La transmisión de señales por medio de ondas electromagnéticas

comprende dos etapas: la producción adecuada de las ondas y la

recepción de las mismas. En la estación trasmisora se utiliza un

micrófono. El circuito del micrófono transforma los sonidos en

oscilaciones eléctricas de elevada frecuencia, originando una onda

modulada transmitida por la antena. En la recepción las ondas recibidas

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se amplifican, luego pasan al detector, luego son amplificadas

nuevamente, y finalmente llegan a los teléfonos.

Las ondas de radio suelen clasificarse en largas cuando su longitud es

mayor que 545m y su frecuencia inferior a 550 kHz y cortas cuando su

longitud es menor que 545 m.

BIBLIOGRAFÍA:

TRIPLER & MOSCA, “Física para la ciencia y tecnología”, Volumen II, Editorial Reverté

ALONSO, ACOSTA, “Introducción a la FÍSICA”, Tomo II, Primera Edición, Ediciones Cultural, Bogotá 1984.

WILSON, BUFFA, LOU, “Física”, Sexta Edición, Pearson Educación, México 2007