1. Fundamento TericoFue en el ao 1819 que el fsico Hans
Christian Oersted descubri que una brjula se desviaba por una
corriente que circulaba por un alambre, en ese momento no se saba
cmo ocurra este fenmeno, hasta que Michael Faraday (quien tambin
descubri la induccin magntica y la describi matemticamente) sent
los fundamentos de lo que sera el electromagnetismo, gracias a esto
se hizo conocido que todo conductor elctrico con una corriente
generaba un campo magntico, y que esto se originaba por los
electrones dentro del conductor de la corriente, que se movan
dentro de l; actualmente el electromagnetismo es una rama de la
fsica y es considerado como una de las cuatro fuerzas fundamentales
del universo actualmente conocido, En esta experiencia
verificaremos el campo magntico que genera una corriente elctrica
cuando circula por un conductor elctrico, utilizaremos una brjula y
la utilizaremos en diferentes casos para verificar el campo
magntico que se forma en cada uno de ellos.La presencia de
unacorriente elctrica, o sea, de un flujo de carga debido a
unadiferencia de potencial, genera unafuerza magnticaque no vara en
el tiempo. Si tenemos una cargaqa unavelocidad, en uncampo
magnticoaparecer una fuerza magntica inducida por el movimiento en
esta carga, as:
Para determinar el valor de ese campo magntico,Jean Baptiste
Bioten1820,8dedujo una relacin para corrientes estacionarias, ahora
conocida comoley de Biot-Savart:
Dondees un coeficiente de proporcionalidad conocido
comopermeabilidad magntica,es laintensidad de corriente, eles el
diferencial de longitud por el que circula la corriente yes la
distancia de este elemento de longitud el punto donde se evala la
induccin magntica. De manera ms estricta,es lainduccin magntica,
dicho en otras palabras, es elflujo magnticopor unidad de rea.
Experimentalmente se lleg a la conclusin que las lneas de fuerza de
campos magnticos eran cerradas, eliminando la posibilidad de un
monopolo magntico. La relacin matemtica se la conoce comoley de
Gauss para el campo magntico:
Adems en la magnetosttica existe una ley comparable a la de
Gauss en la electrosttica, laley de Ampre. sta ley nos dice que la
circulacin en un campo magntico es igual a la densidad de corriente
que exista en unasuperficie cerrada:
Cabe indicar que esta ley de Gauss es una generalizacin de la
ley de Biot-Savart. Adems que las frmulas expresadas aqu son para
cargas en elvaco.Los fsicos a finales delsiglo XIXdescubrieron que
ambos campos estaban ligados y as un campo elctrico en movimiento,
unacorriente elctricaque vare, genera un campo magntico y un campo
magntico de por si implica la presencia de un campo elctrico.
Entonces, lo primero que debemos definir es la fuerza que tendra
una partcula cargada que se mueva en un campo magntico y as
llegamos a la unin de las dos fuerzas anteriores, lo que hoy
conocemos como lafuerza de Lorentz:
Entre 1890 y 1900 Linard y Wiechert calcularon el campo
electromagntico asociado a cargas en movimiento arbitrario,
resultado que se conoce hoy comopotenciales de Linard-Wiechert.Por
otro lado, para generar una corriente elctrica en un circuito
cerrado debe existir unadiferencia de potencialentre dos puntos
delcircuito, a sta diferencia de potencial se la conoce comofuerza
electromotrizo fem. sta fuerza electromotriz es proporcional a la
rapidez con que elflujo magnticovara en el tiempo, esta ley fue
encontrada porMichael Faradayy es la interpretacin de la induccin
electromagntica, as un campo magntico que vara en el tiempo induce
a un campo elctrico, a una fuerza electromotriz. Matemticamente se
representada como:
En un trabajo del fsicoJames Clerk Maxwellde1861reuni las tres
ecuaciones anteriormente citadas anteriormente e introdujo el
concepto de una corriente de desplazamiento como una densidad de
corriente efectiva y lleg a la ltima de las ecuaciones, laley de
Ampre generalizada, ahora conocidas comoecuaciones de Maxwell:
Las cuatro ecuaciones, tanto en su forma diferencial como en la
integral aqu descritas, fueron las revisiones hechas porOliver
Heaviside. Pero el verdadero poder de stas ecuaciones, ms la fuerza
de Lorentz, se centra en que juntas son capaces de describir
cualquier fenmeno electromagntico.
Esquema de unaonda electromagntica.
La genialidad del trabajo de Maxwell es que sus ecuaciones
describen un campo elctrico que va ligado inequvocamente a un campo
magntico perpendicular a ste y a la direccin de su propagacin, ste
campo es ahora llamadocampo electromagntico.Adems la solucin de
estas ecuaciones permita la existencia de una onda que se propagaba
a lavelocidad de la luz, con lo que adems de unificar los fenmenos
elctricos y magnticos la teora formulada por Maxwell predeca con
absoluta certeza los fenmenospticos.As la teora predeca a una onda
que, contraria a las ideas de la poca, no necesitaba un medio de
propagacin; laonda electromagnticase poda propagar en elvacodebido
a la generacin mutua de los campos magnticos y elctricos. Esta onda
a pesar de tener una velocidad constante, la velocidad de la luzc,
puede tener diferentelongitud de onday consecuentemente dicha onda
transportaenerga. Laradiacin electromagnticarecibe diferentes
nombres al variar su longitud de onda, comorayos gamma,rayos
X,espectro visible, etc.; pero en su conjunto recibe el nombre
deespectro electromagntico.
2. Materiales
Sistema UNITR@INEs el dispositivo que se usara para poder
simular la construccin de distintos circuitos elctricos, adems
tiene la ventaja de que es manejado a travs de un software que
desde la computadora nos permite ver los valores de intensidad de
corriente, voltaje, resistencia y como varan de acuerdo al circuito
que decidamos armar en l. En este caso trabajaremos varios tipos de
circuitos para probar varios casos de la fuerza
electromagntica.
3. Procedimiento1.- BRJULA CON CABLE PARALELO. Colocamos los
cables como se muestran en la figura, y procedemos a ubicar el
cable al lado de la brjula y notamos el comportamiento de esta.
Como se ve en este caso la aguja de la brjula se alinea con el
cable, debido a que como este genera un campo magntico, hace que
este se acomode a la corriente elctrica que pasa a travs de
ella.
2.- BRJULA CON CABLE ENROLLADO.Implementamos el circuito del
paso anterior.Enrollamos el cable como se muestra en la figura.
Para este caso se ve que ya no est en paralelo con la posicin
del cable, sino que ahora se acomoda formando 90 con la lnea del
cable, lo cual nos hace ver el campo magntico creado al dar la
forma de solenoide al cable por donde pasa la corriente
elctrica.
3.- BRJULA ALREDEDOR DEL CIRCUITO 1. Desarrollamos el circuito
que se muestra en pantalla.
Ahora movemos la brjula alrededor de la bobina.
4.- BRJULA ALREDEDOR DEL CIRCUITO 2.Construimos el circuito
anterior, pero ahora pasamos un cable por debajo de la bobina.
Giramos la brjula alrededor de la bobina.5.- EFECTO DEL NUCLEO
DE HIERRO:Con la ayuda de una brjula analizaremos una bobina con un
ncleo de hierro, por donde circula corriente, para de esta forma
comparar las propiedades magnticas de la bobina con y sin el ncleo
de hierro.
El comportamiento de la brjula frente a una bobina con ncleo de
hierro con una sin ncleo de hierro, varan en la desviacin de la
aguja fuertemente, ya que el campo magntico se refuerza con el
ncleo de hierro y las lneas de campos salen por los polos.Esto
sucede debido a que cuando introducimos un ncleo de hierro el campo
magntico se ve reforzado y esto hace que la aguja de la brjula se
desve mucho ms que antes de introducir el ncleo de hierro.
6.- EXPERIMENTO DE REMANECIA:
Remanencia magntica es la capacidad de un material para retener
el magnetismo que le ha sido inducido.Ahora, en este experimento,
un ncleo de hierro es sometido a la influencia de un campo magntico
para observar su campo magntico residual.
Con un marcador, o con un material adhesivo rojo, marque un lado
del ncleo de hierro, como smbolo de la polaridad sur de este.
Inserte y retire repetidamente el ncleo de hierro del interior
de la bobina por la que circula corriente. El punto rojo se dirige
hacia abajo.
Luego retiramos el ncleo de hierro para analizarlo con la aguja
imantada.Experimentando este experimento podemos observar que el
ncleo de hierro posee propiedades magnticas despus de que el campo
haya actuado sobre l, poseyendo un campo magntico.Adems podemos
distinguir que el polo sur queda marcado con el punto rojo, debido
a que el extremo azul de la brjula se ve atrada.En el caso de que
repitamos varias veces el experimento, retirando e insertando el
ncleo de hierro del interior de la bobina, por donde circula la
corriente, en esta ocasin el punto rojo se debe dirigir hacia
arriba, para de esta forma analizarlo otra vez, de tal modo el polo
norte ahora marca el punto rojo, ya que el extremo plateado de la
aguja de la brjula se ve atrado.7.- EXPERIMENTO DE
INDUCCIN:NTenemos el caso de una bobina sin ncleos, en la cual se
generar una tensin (medida en voltmetro) con el movimiento del
imn.
Conectar la bobina a un voltmetro, introducir y retirar varias
veces el imn permanentemente, para as poder observar que el
voltmetro indica una tensin positiva y negativa segn el sentido del
movimiento; ya que cuanto ms rpido sea el movimiento, mayor ser la
amplitud de la tensin.
4. ConclusinEntonces como hemos visto la induccin
electromagntica, es algo que siempre ha existido, siempre un paso
de corriente elctrica va a generar un campo electromagntico, adems
como se ve la forma del solenoide que es muy usada sobre todo en
bobinas, lo que nos da entender mejor el significado y el uso de
estas. Tambin hemos visto que la brjula siempre nos ayuda a poder
detectar si hay un campo electromagntico y cul es su
comportamiento, ya que como se ha visto, podemos ver las distintas
variaciones que podran haber gracias a como analicemos la
brjula.Tambin cabe mencionar la importancia del hierro como
material electromagntico, ya que vemos como este de cierta forma
afecta el campo electromagntico.