Magnetismo y Fuerza magnética


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1 Tema: La electricidad Eje temático: Física. El sonido La luz La electricidad Contenido: La electricidad Qué es un imán? Magnetismo y Fuerza magnética Generalmente asociamos el imán a una piedra que atrae a los metales y pequeñas piedras que encontramos en la arena. Llamaremos a este fenómeno magnetismo. El fenómeno magnético, al igual que el eléctrico, está estrechamente ligado a los átomos y es también una propiedad general de la materia. Al igual que los fenómenos eléctricos, los fenómenos magnéticos fueron conocidos en la Grecia antigua y otros pueblos que conocieron las piedras magnetita que nosotros llamamos imán. La figura ilustra el aspecto de la magnetita y sus polos magnéticos, nombre que se les da a las zonas de la piedra que atraen con mayor fuerza a otros materiales magnéticos, como los clavos metálicos. Estos polos pueden ser varios, pero como mínimo se observan dos el norte y el sur. Cómo funciona una brújula? El hecho de llamar a los polos Norte o Sur se origina en una de las características de los imanes de dos polos: que se orientan geográficamente. Si colgamos un imán de barra que posea sus polos en los extremos de modo que pueda rotar libremente, después de un tiempo se orientará de norte a sur. Si marcas uno de sus polos, por ejemplo pintando el que apunta hacia el norte, y lo haces rotar, constatarás que después de un tiempo el mismo polo señala de nuevo el norte. Este fenómeno se ilustra en la figura. Se trata del principio de la brújula. Polo norte del imán será el que apunta hacia el sur geográfico y polo sur del imán al que apunta hacia el norte.

2 No se sabe quién realizó este extraordinario descubrimiento ni en qué época, aunque algunos historiadores se lo atribuyen a los chinos. Consta que alrededor del año 1100 ya lo usaban los marinos para orientarse cuando las estrellas no estaban visibles. En la figura se ilustra un prototipo de brújula muy común, junto a la visión de un corte lateral. Si pones durante unos minutos junto a un imán un trozo de acero, que inicialmente no manifiesta propiedades magnéticas (una aguja de coser, una tijera o un destornillador), podrás verificar que pronto tendrá propiedades magnéticas. Si colgamos dos imanes con sus polos debidamente marcados, veremos que polos del mismo nombre se repelen y de distinto nombre se atraen. Si consideramos la brújula, entonces debemos concluir que nuestro planeta Tierra es un gran imán en cuyo polo norte geográfico posee un polo sur magnético y en el polo sur geográfico un polo norte magnético.

3 Puede el imán perder sus propiedades magnéticas? Como lo ilustra la siguiente figura, hay básicamente dos maneras: una es golpeándolo con un martillo y otra calentándolo. Qué ocurre si cortamos un imán por la mitad o de alguna otra manera? Como ilustra la siguiente figura, si hacemos los cortes sin elevar demasiado la temperatura, lo que obtenemos son nuevos imanes completos; es decir, es imposible obtener un polo aislado. Hay imanes que son permanentes y otros momentáneos. Por ejemplo, al magnetizar un trozo de acero, éste conserva sus propiedades magnéticas por mucho tiempo, posiblemente por cientos de años: será un imán permanente. Sin embargo, otros materiales, como el hierro, manifiestan propiedades magnéticas solamente mientras se encuentran en las proximidades de un imán.

4 Por qué los materiales son magnéticos? Como dijimos anteriormente, el magnetismo es una propiedad de la materia que está íntimamente relacionada con sus partículas fundamentales los átomos. Si suponemos que la materia está conformada por minúsculos imanes átomos/imanes-, la diferencia con un material que se comporta como imán se debería a que tales imanes atómicos están ordenados. La siguiente figura ilustra esta idea. Mientras que en los imanes permanentes este orden se conserva, en los imanes momentáneos se produce solo cuando un imán próximo los ordena. Esto explicaría por qué al cortar un imán se obtienen nuevos imanes y por qué al golpear o calentar un imán éste pierde sus propiedades magnéticas. Al cortar un imán solo se divide la materia, en cambio al calentarlo es posible que pierda su ordenamiento y propiedades magnéticas. Un material a temperatura elevada tiene asociado el movimiento de las partículas que lo conforman, o sea, mientras más movimiento tienen estas partículas, mayor será la temperatura del material. La presencia de un imán podría dificultar este movimiento, lo que debiera traducirse en una reducción de la temperatura. Los físicos que trabajan con bajas temperaturas aplican poderosos campos magnéticos a los objetos que desean enfriar. Qué es un campo magnético? Con el término campo magnético expresamos la idea de que el espacio que rodea a un imán tiene propiedades magnéticas. Es posible visualizar este campo en algunos experimentos sencillos. Si exploramos el espacio que rodea a un imán con una pequeña aguja magnética que pueda rotar libremente, veremos que en cada punto la aguja adquiere una dirección específica. Diremos que el sentido que señala el norte de este imán de prueba es el del campo magnético en cada punto, que anotaremos con la letra B. Las líneas por donde se movería un polo norte de la aguja (si pudiera existir en forma aislada) las denominaremos líneas de campo magnético.

5 Para inspeccionar la forma que tiene el campo magnético en diversos imanes puedes colocarlos debajo de una hoja de papel y espolvorear sobre ésta limaduras de hierro, que hacen las veces de pequeños imanes de prueba. Las líneas del campo magnético que se pueden visualizar en estos casos se insinúan en la siguiente figura para un imán de barra y para un imán de herradura. Cómo se relaciona la corriente eléctrica con el magnetismo? Durante muchos años los físicos sospecharon que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban relacionados. Podemos experimentar si hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor sobre el cual hay una brújula, como lo indica la figura El conductor debe estar orientado, antes de que circule la corriente, en la misma dirección en que se orienta la aguja de la brújula; es decir, de norte a sur. Los resultados del experimento se muestran en la siguiente figura:

6 En la primera situación no circula corriente. En la segunda, ésta circula hacia el sur, y en la tercera circula hacia el norte. Como vemos, la orientación de la aguja de la brújula cambia dependiendo del sentido de la corriente. Lo que se asocia acá es que las cargas en movimiento generan un campo magnético y éste dependerá del sentido de circulación de las cargas. La manera de obtener con facilidad el sentido del campo magnético es la regla de la mano derecha: si con esta mano envolvemos el conductor, como si nos fuésemos a afirmar de él, de modo que el pulgar apunte en el sentido de la corriente (de + a ), las puntas de los restantes dedos señalarán el sentido del campo magnético B. El campo magnético producido alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica también puede visualizarse empleando limaduras de hierro. La siguiente figura ilustra las líneas de campo magnético en tres situaciones: a) un alambre recto, b) una espira circular y c) una bobina con varias espiras. Si enrollamos alrededor de un trozo de hierro (un clavo, por ejemplo) unos metros de alambre recubierto de aislante (por ejemplo, alambre de timbre), al hacer circular corriente eléctrica por él observaremos que se convierte en un poderoso imán. Esto es lo que se conoce con el nombre de electroimán, y posee numerosas aplicaciones prácticas. En base a él funcionan desde un simple timbre de chicharra, hasta grandes grúas que levantan pesados bloques de hierro. La siguiente figura ilustra un electroimán.

7 Otra relación entre magnetismo y corriente eléctrica consiste, como lo indica la figura, en el hecho de que aparece una fuerza sobre un conductor que porta corriente cuando está inmerso en un campo magnético. Si haces el experimento, verás cómo el cable flexible oscila como un columpio al conectar y desconectar la batería. La fuerza F que se origina es perpendicular tanto a la dirección del campo magnético (B) como al conductor por donde circula la corriente (i). Si se invierte el sentido de la corriente o la del campo magnético, la fuerza sobre el conductor apuntará en sentido opuesto. Para recordar el sentido de la fuerza usamos nuevamente la regla de la mano derecha, que se ilustra en la figura.

8 Una de las más importantes aplicaciones de un campo magnético aplicado a cargas en movimiento es el motor eléctrico, cuyos aspectos esenciales (bobina e imán) se ilustran en la figura. El dispositivo que funciona a la inversa, o sea, generando una corriente eléctrica a partir del movimiento de una bobina en un campo magnético, es conocido como dínamo. En la figura podemos apreciar los elementos básicos (bobina e imán) que constituyen una dínamo elemental.

9 Al mover la manivela, en la bobina se produce una corriente que permite, por ejemplo, encender una ampolleta. Si se compara este esquema con el del motor, se puede apreciar que son exactamente iguales. Esta es la aplicación que se usa en las centrales hidroeléctricas, en donde la caída de agua hace girar enormes turbinas que se conectan con dínamos y transforman la energía mecánica en energía eléctrica. El magnetismo es, por tanto, una propiedad de la materia, que también está asociada al movimiento de las cargas a través de un conductor eléctrico. La combinación de ambos efectos tiene variadas aplicaciones de uso cotidiano, como el motor eléctrico.

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