PROYECTO DE FISICA III

DEPARTAMENTO DE FISICA

DEPARTAMENTO DE FISICACAMPO MAGNETICO

Universidad Tcnica de OruroFacultad Nacional de IngenieraIngeniera Civil

NOMBRES: Univ. Arias Alavi Javier Jhesenia Zenayda Chambi Villca DOCENTE: Ing. Tomas Guaygua FulgueraFECHA DE ENTREGA.: 28 de junio de 2013AO: 2012

CAMPO MAGNETICOINDICE

INTODUCCION POLOS MAGNETICOS .. CAMPO MAGNETICO.. NATURALEZA DE UN CAMPO MAGNETICO.. DOMINIOS MAGNETICOS.. FUERZA MAGNETICA. FUERZA MAGNETICA SOBRE UNA PARICULA CARGADA... FUERZA MAGNETICA SOBRE UN CORDUCTO MOMENTOS O TORQUE SOBRE UNA ESPIRA DE CORRIENTE . MOVIMIENTO DE UNA PARTICULA CARGADA DENTRO XE UN CAMPO MAGNETICO . FUENTES DE CAMPO MAGNETICO LEY DE AMPERE LEY DE BIOT-SAVART.. APLICACION BIBLIOGRAFIA..

Historia:Los fenmenos magnticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ah el trmino magnetismo. Saban que ciertas piedras atraan el hierro, y que los trocitos de hierro atrados atraan a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales]El primer filsofo que estudi el fenmeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filsofo griego que vivi entre 625a.C. y 545a.C.1 En China, la primera referencia a este fenmeno se encuentra en un manuscrito del siglo IVa.C. titulado Libro del amo del valle del diablo: La magnetita atrae al hierro hacia s o es atrada por ste.2 La primera mencin sobre la atraccin de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los aos 20 y 100 de nuestra era: La magnetita atrae a la aguja.El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian rsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubri que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejerca una perturbacin magntica a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magntica situada en ese entorno.3 Muchos otros experimentos siguieron con Andr-Marie Ampre, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vnculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetiz y explic estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unific el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein us estas leyes para comprobar su teora de la relatividad especial,4 en el proceso mostr que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.La historia de la electricidad se refiere al estudio y uso humano de la electricidad, al descubrimiento de sus leyes como fenmeno fsico y a la invencin de artefactos para su uso prctico.El fenmeno en s, fuera de su relacin con el observador humano, no tiene historia; y si se la considerase como parte de la historia natural, tendra tanta como el tiempo, el espacio, la materia y la energa. Como tambin se denomina electricidad a la rama de la ciencia que estudia el fenmeno y a la rama de la tecnologa que lo aplica, la historia de la electricidad es la rama de la historia de la ciencia y de la historia de la tecnologa que se ocupa de su surgimiento y evolucin.La electricidad evolucion histricamente desde la simple percepcin del fenmeno, a su tratamiento cientfico, que no se hara sistemtico hasta el siglo XVIII. Se registraron a lo largo de la Edad Antigua y Media otras observaciones aisladas y simples especulaciones, as como intuiciones mdicas (uso de peces elctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza) referidas por autores como Plinio el Viejo y Escribonio Largo,1 u objetos arqueolgicos de interpretacin discutible, como la Batera de Bagdad,2 un objeto encontrado en Irak en 1938, fechado alrededor de 250a.C., que se asemeja a una celda electroqumica. No se han encontrado documentos que evidencien su utilizacin, aunque hay otras descripciones anacrnicas de dispositivos elctricos en muros egipcios y escritos antiguos.INTRODUCCIN:El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnticas son producidas por el movimiento de partculas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relacin entre la electricidad y el magnetismo. El marco que enlaza ambas fuerzas, es el tema de este curso, se denomina teora electromagntico. La manifestacin ms conocida del magnetismo es la fuerza de atraccin o repulsin que acta entre los materiales magnticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos ms sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atmica de la materia.POLOS MAGNTICOS:Los polos magnticos de la Tierra no coinciden con los polos geogrficos de su eje. El polo norte magntico se sita hoy cerca de la costa oeste de la isla Bathurst en los Territorios del Noroeste en Canad, casi a 1.290 km al noroeste de la baha de Hudson. El polo sur magntico se sita hoy en el extremo del continente antrtico en Tierra Adelia, a unos 1.930 km al noreste de Little Amrica (Pequea Amrica). La tierra tiene dos polos magnticos que no son constantes y se mueven, aunque ligeramente, de ao en ao. Actualmente, el Polo Norte magntico est situado cerca de la costa oeste de la isla Bathurst, en los Territorios del Noroeste de Canad. Por su parte, el Polo Sur magntico est hoy en el extremo del continente antrtico, en Tierra Adelia. Los cientficos se muestran cada vez ms preocupados porque las oscilaciones son mayorescada ao, lo que afecta especialmente a las brjulas, que como se sabe apuntan siempre al norte magntico.

El campo magntico

Los campos magnticos suelen representarse mediante lneas de campo magntico o lneas de fuerza. En cualquier punto, la direccin del campo magntico es igual a la direccin de las lneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las lneas.En el caso de una barra imantada, las lneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas lneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imn y otra fuera. En los extremos del imn, donde las lneas de fuerza estn ms prximas, el campo magntico es ms intenso; en los lados del imn, donde las lneas de fuerza estn ms separadas, el campo magntico es ms dbil. Segn su forma y su fuerza magntica, Los campos magnticos influyen sobre los materiales magnticos y sobre las partculas cargadas en movimiento. En trminos generales, cuando una partcula cargada se desplaza a travs de un campo magntico, experimenta una fuerza que forma ngulos rectos con la velocidad de la partcula y con la direccin del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partculas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnticos se emplean para controlar las trayectorias de partculas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partculas o los espectrgrafos de masas.NATURALEZADELCAMPOMAGNTICO: Cada tomo se comporta como un pequeo imn, capaz de ejercer fuerzas sobre otros imanes y de ser a su vez afectado por ellos. Se dice que cada tomo tiene asociado un momento magntico. Cada elemento qumico tiene un momento magntico (que incluso puede ser nulo) producido por los momentos magnticos de las partculas ms elementales que lo constituyen (protones, neutrones, electrones). Describir un medio material en las condiciones accesibles en un laboratorio no es, sin embargo, complicado dado que no es necesario tener en cuenta todos los detalles, sino que es suficiente considerar la contribucin de los electrones de la capa externa de cada,tomo.En el caso de materiales con estructura cristalina, en el cual cada tomo ocupa un lugar determinado en una red peridica, y que adems no son conductores elctricos, todos los electrones estn fuertemente ligados a los ncleos atmicos y no hay posibilidad de desplazamiento. En ellos los momentos magnticos, igual que la aguja de una brjula, pueden cambiar de orientacin segn el campo magntico externo en el cual se encuentren inmersos. En tanto el comportamiento que se observa en estos sistemas se deba exclusivamente a la orientacin de los momentos, se dice que el material es un sistema puramente magntico. DOMINIOS MAGNETICOS:Los dominios magnticos son agrupaciones de imanes permanentes elementales (dipolos magnticos). Un dominio magntico puede aparecer en un material (ferromagntico o ferrimagntico, por ejemplo), en el que se d un ordenamiento magntico a medio alcance.Fue Pierre Weiss quin se dio cuenta, en 1907, que los materiales ferromagnticos estn formados por estos dominios, los cuales si estn orientados al azar hacen que el material no exhiba propiedades magnticas..Los dominios estn separados por las llamadas paredes de Bloch, en las cuales se produce la transicin en la orientacin de los dipolos.Por encima de cierta temperatura crtica (Temperatura de Curie), los dominios magnticos se desordenan por efecto de la entropa, dando lugar a un sistema paramagntico.Fuerza magnticaLa fuerza magntica es la parte de la fuerza electromagntica total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribucin de cargas en movimiento. Las fuerzas magnticas son producidas por el movimiento de partculas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relacin entre la electricidad y el magnetismo.Las fuerzas magnticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magntica entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes convencionales existen microcorrientes que macroscpicamente dan lugar a lneas de campo magntico cerradas que salen del material y vuelven a entrar en l. Los puntos de entrada forman un polo y los de salida el otro polo.Fuerza magntica sobre una partcula cargada:Para afianzar lo visto en la clase sobre la accin del campo magntico sobre las partculas cargadas en movimiento, los remito a la pgina de Fsica con Ordenador, del Prof. Angel Garca Franco, localizada en:En este sitio encontrarn, adems de la informacin terica que se estudi en clases, una aplicacin en forma de applet, que les permite observar la trayectoria de la partcula cargada al cambiar su carga, su masa y las intensidades de los campos elctrico y magntico.Como actividad a entregar deben elaborar un informe en el cual se muestren los grficos de la trayectoria para cinco combinaciones diferentes de las magnitudes involucaradas en el movimiento. Analicen, cualitativamente, la trayectoria de la partcula. Para ello deben de tener en cuenta que la flecha negra representa la direccin de la velocidad, la roja la direccin del vector Intensidad de Campo elctrico, y la flecha azul, que entra al plano de la pantalla, la direccin del vector Inducccin Magntica. Deben escoger situaciones que se diferencien, no slo por las intensidades de los campos, sino por la orientacin de sus vectores representativos (quiere decir, valores positivos y negativos), ausencia de uno de los dos campos, etc.Fuerza magntica sobre un conductor:Un conductor es un hilo o alambre por el cual circula una corriente elctrica. Una corriente elctrica es un conjunto de cargas elctricas en movimiento. Ya que un campo magntico ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre por el que circula una corriente elctrica.Conductor rectilneo

Tramo de un conductor rectilneo de longitud l, que transporta una intensidad i y colocado en un campo magntico BEn la figura se muestra un tramo de alambre de longitud que lleva una corriente y que est colocado en un campo magntico .La corriente en un conductor rectilneo es transportada por electrones libres, siendo el nmero de estos electrones por unidad de volumen del alambre. La magnitud de la fuerza media que obra en uno de estos electrones est dada por;

por ser y siendo la velocidad de arrastre: . Por lo tanto,

La longitud del conductor contiene electrones libres, siendo el volumen de la seccin de conductor de seccin transversal que se est considerando. La fuerza total sobre los electrones libres en el conductor y, por consiguiente, en el conductor mismo, es:

Ya que es la corriente en el conductor, se tiene:

Las cargas negativas que se mueven hacia la derecha en el conductor equivalen a cargas positivas movindose hacia la izquierda, esto es, en la direccin de la flecha verde. Para una de estas cargas positivas, la velocidad apuntara hacia la izquierda y la fuerza sobre el conductor Conductor no rectilneo

Si se considera solamente un elemento diferencial de un conductor de longitud , la fuerza puede encontrarse mediante la expresin

Considrese, por ejemplo, un alambre de la forma mostrada en la figura, que lleva una corriente i y se encuentra en el seno de un campo magntico uniforme de induccin magntica saliendo del plano de la figura tal como lo muestran los puntos. La magnitud de la fuerza sobre cada tramo recto est dada por: y apunta hacia abajo tal como lo muestran los vectores coloreados de verde. Un segmento de alambre de longitud en el arco experimenta una fuerza cuya magnitud es:

y cuya direccin es radial hacia O, que es el centro del arco. Solamente la componente hacia abajo de esa fuerza es efectiva, porque la componente horizontal es anulada por una componente directamente opuesta proveniente del correspondiente segmento de arco a la derecha de O. En consecuencia, la fuerza total sobre el semicrculo de alambre alrededor de O apunta hacia abajo y es:

Entonces, la fuerza total ser:

Es interesante notar que esta fuerza es la misma que obrara sobre un alambre recto de longitud Fuerza entre imanesInicialmente se trat de modelizar la fuerza magntica entre imanes naturales por una expresin del tipo:

Donde:Son las "masas magnticas" o "cargas magnticas" que dependeran del tamao de los imanes.la distancia media entre los polos.Sin embargo, la anterior expresin slo resulta til para casos con imanes con formas geomtricas sencillas que permitan identificar los polos y que se encuentren convenientemente alineados. Otros dos problemas an ms serios son que la forma anterior no es fcilmente generalizable a polos desalineados, ni tampoco parece fcil calcular el valor de la "masa magntica" a partir de las caractersticas microscpicas del material.El carcter complejo de la "masa magntica" se refleja entre otras cosas en el hecho de que se ve afectado por la temperatura, un material ferromagntico normal deja de ser magntico a una temperatura superior a la temperatura de Curie. Lo cual refleja que el efecto magntico de los imanes no es una propiedad intrnseca sino un efecto dependiendo de la agitacin trmica de los tomos y electrones que configuran internamente el material.La fuerza entre dos imanes puede calcularse exactamente si se conoce la densidad de corriente equivalente en el interior de los mismos mediante la expresin:

Donde:, son las densidades de corriente en cada uno de los imanes., son los vectores directores sobre puntos del interior de cada uno de los dos imanes., son los volmenes ocupados por los dos imanes.es la permeabilidad magntica.Comparando (a) con (b) puede verse que los valores de depende de una manera muy compleja de la distribucin interna de las corrientes en los dos imanes. Para distancias grandes comparadas con el tamao de los imanes la fuerza dada por (b) puede aproximarse por la fuerza entre dos dipolos magnticos:

Donde:, son los momentos dipolares magnticos de los imanes que son vectores alineados con la lnea que va desde el polo sur al polo norte del imn., son el vector de posicin relativa y la distancia entre los imanes.Para dos imanes alineados esta fuerza resulta ser:

Si los dos momentos estn alineados paralelamente (lo cual corresponde a que los dos polos de diferente signo estn ms prximos) la fuerza es atractiva, en cambio si los imanes estn alineados anti paralelamente (con lo cual dos polos del mismo signo sern los ms prximos) la fuerza es repulsiva.MOVIMIENTO DE PARTICULAS CARGADAS EN UN CAMPO MAGNETICO :La fuerza magntica que acta sobre una partcula cargada que se mueve a travs de un campo magntico es siempre perpendicular a la velocidad de la partcula. Por tanto la fuerza magntica modifica la direccin de la velocidad, pero no su magnitud. Los campos magnticos no realizan trabajo sobre las partculas y no modifican su energa cintica. En el caso especial en que la velocidad de una partcula sea perpendicular aun campo magntico uniforme, como se ve en la figura, la partcula se mueve describiendo una rbita circular.

Partcula que se mueve en un plano perpendicular a un campo magntico uniforme. La fuerza magntica es perpendicular a la velocidad de la partcula haciendo que se mueva en una rbita circular. La fuerza magntica proporciona la fuerza centrpeta necesaria para que la partcula adquiera la aceleracin v/r del movimiento circular. Utilizando la segunda ley de Newton podemos relacionar el radio r de la circunferencia con el campo magntico B y la velocidad v de la partcula. La magnitud de la fuerza resultante es (q v B), ya que v y B son perpendiculares. La segunda ley de Newton nos daF = m a = m v / r q v B = m v / r o sea: r = m v / q BEl periodo del movimiento circular es el tiempo que la partcula tarda en dar una vuelta completa alrededor del crculo. El periodo viene relacionado con la velocidad por T = 2 r / v Sustituyendo en la ecuacin podemos obtener el periodo del movimiento circular de la partcula, llamado periodo del ciclotrn: T = 2 m / q B La frecuencia del movimiento circular, llamada frecuencia del ciclotrn es el valor recproco del periodo: f = 1 / T = q B / 2 mSupongamos que una partcula cargada entra en un campo magntico uniforme con una velocidad que no es perpendicular a B. La velocidad de la partcula puede resolverse en dos componentes, vx paralela a B y vy perpendicular a B. El movimiento debido al componente perpendicular es el mismo que hemos visto anteriormente. El componente de la velocidad paralelo a B no se afecta por el campo magntico, y por tanto, permanece constante. La trayectoria de la partcula es una hlice, como muestra la figura.

Cuando una particula cargada posee un componente de velocidad paralelo a un campo magnetico y otro perpendicular al mismo, se mueve en una trayectoria helecoidal alrededor de las lineas de campoEl movimiento de las partculas cargadas en campos magnticos no uniformes es muy complicado. La figura muestra una botella magntica, una interesante configuracin de campos magnticos en la cual el campo es dbil en el centro y muy intenso en ambos extremos. Un anlisis detallado del movimiento de una partcula cargada en tal campo muestra que la partcula recorrer una trayectoria en espiral alrededor de la lnea de campo y quedar atrapada oscilando atrs y adelante entre los puntos P1 y P2 de la figura.

Botella magntica. Cuando una partcula cargada se mueve en este campo, muy intenso en los extremos y ms dbil en el centro, queda atrapada y se mueve en espiral atrs y adelante alrededor de las lneas de campo.Estas configuraciones de campos se utilizan para confinar haces densos de partculas cargadas, el plasma, en las investigaciones sobre fusin nuclear.

FUENTES DE CAMPO MAGNETICO:Se llama campo magntico a la zona en la que un imn es capaz de atraer los objetos metlicos. La Tierra se comporta como un gigantesco imn, cuyo polo norte magntico se encuentra cerca del polo sur geogrfico y al revs, el polo sur magntico est cerca del polo norte geogrfico. La brjula es un pequeo imn que, atrado por el campo magntico terrestre, gira sobre su eje y se orienta en la direccin de los polos magnticos de la Tierra, indicndonos la direccin norte-sur, ayudando, por ejemplo, a los navegantes a mantener su ruta.

La brjula magntica LEY DE AMPERE:

La ley de Ampre, llamada as en honor de quin, en 1825, creo las fundaciones tericas del electromagnetismo, implica la descripcin bsica de la relacin existente entre la electricidad y el magnetismo, desarrollada a travs de afirmaciones cuantitativas sobre la relacin de un campo magntico con la corriente elctrica o las variaciones de los campos elctricos que lo producen. Se trata de una ley que es generalmente constatable dentro del uso formal del idioma del clculo matemtico: la lnea integral de un campo magntico en una trayectoria arbitrariamente elegida es proporcional a la corriente elctrica neta adjunta a la trayectoria.

Una expresin alternativa a la ley de Ampre es la de Biot-Savart, la cual tambin relaciona el campo magntico y la corriente que lo produce. Esta ley tambin es equivalente en un estado constante en espacios libres a las ecuqciones de Maxwell.

La ley de Gauss nos permita calcular el campo elctrico producido por una distribucin de cargas cuando estas tenan simetra (esfrica, cilndrica o un plano cargado). Del mismo modo la ley de Ampre nos permitir calcular el campo magntico producido por una distribucin de corrientes cuando tienen cierta simetra. Los pasos que hay que seguir para aplicar la ley de Ampre son similares a los de la ley de Gauss. Dada la distribucin de corrientes deducir la direccin y sentido del campo magntico Elegir un camino cerrado apropiado, atravesado por corrientes y calcular la circulacin del campo magntico. Determinar la intensidad de la corriente que atraviesa el camino cerrado Aplicar la ley de Ampre y despejar el mdulo del campo magntico.

LEY DE BIOT-SAVART:Poco tiempo despues del descubrimiento de Oersted en 1819, donde la aguja de la brjula se desviaba a causa de la presencia de un conductor portador de corriente, Jean Baptiste Biot y Felix Savart informaron que un conductor de corriente estable produce fuerzas sobre un imn. De sus resultados experimentales, Biot y Savart fueron capaces de llegar a una expresin de la que se obtiene el campo magntico en un punto dado del espacio en trminos de la corriente que produce el campo. El campo magntico dB en el punto P debido a un elemento de corriente ds est dado por la ley de Biot-Savart. La ley de Biot-Savart establece que si un alambre conduce una corriente constante I, el campo magntico dB en un punto P debido a un elemento ds (Figura. 5.3.) tiene las siguientes propiedades : El vector dB es perpendicular tanto a ds (el cual tiene la direccin de la corriente) como al vector unitario dirigido desde el elemento hasta el punto P. La magnitud dB es inversamente proporcional a r, donde r es la distancia desde el elemento hasta el punto p. La magnitud de dB es proporcional a la corriente y la longitud ds del elemento. La magnitud de dB es proporcional a sen, donde es el ngulo entre el vector ds y . La ley de Biot-Savart puede ser resumida en la siguiente frmula :

Por lo que la ley de Biot-Savart, tambin puede escribirse como : Es importante hacer notar que la ley de Biot-Savart proporciona el campo magntico en un punto dado para un pequeo elemento del conductor. Para encontrar el campo magntico total B en algn punto debido a un conductor para tamao finito, se deben sumar las contribuciones de todos los elementos de corriente que constituyen el conductor. Esto es, se debe evaluarse B por la integracin de la ecuacin anterior :

donde la integral se evala sobre todo el conductor, Esta expresin debe ser manejada con especial cuidado desde el momento que el integrando es una cantidad vectorial. APLICACIN: TEORICO (Problema) EXPERIMENTO (Virtual) APLETBIBLIOGRAFIA s.wikipedia.org/wiki/Campo_magntico s.wikipedia.org/wiki/Campo_magntico_terrestre www.monografias.com Fsico Libro de fsica de Bishban Libro de fsica de Serway

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