Física 3 - "Determinación Del Campo Magnético Terrestre". FIQT - UNI

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

LABORATORIO DE FÍSICA 3 (BFI01 - A)

“DETERMINACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE” DOCENTES A CARGO: -

Altu Altuna na Di Diaz az,, IIss ssac ac Ga Gabr brie iel. l.

-

Re Reye yes sG Gue uerre rrero ro,, R Rey eyna nald ldo oG Gre rego gorin rino. o.

ALUMNOS: -

Alar Alarcó cón nA Alia liaga ga,, C Chr hris isto toph pher er Da Davi vid. d. Alme Almeyd yda aC Cam ampo pos, s, Je Jesú sús s IIvá ván. n. Co Coro rone nell V Ven ener ero, o, Ju Juan an Jo José sé..

Lima, 17 de agosto del 2020

 

ÍNDICE: INTRODUCCIÓN:

2

FUNDAMENTO TEÓRICO: Campo magnético terrestre:

2 2

Magnetismo: Determinación de la componente del campo magnético terrestre tangencial (Horizontal): Interacción de la brújula con la barra magnética.

4 4 5

EQUIPO:

6

PROCEDIMIENTO:

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CÁLCULOS Y RESULTADOS:

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CONCLUSIONES:

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

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1.INTRODUCCIÓN: El camp ampo  magn agnéti tico co terr terres estr tre e permi rmite la su sup per ervi vive venc ncia ia en nue nuest stro ro plane aneta ta,, nos prote rotege ge de los vientos  solares, también es responsable de que tengamos atmósfera, cuyo fin es prote roteg ger erno nos s de  los ray rayos solar olares es y manti ntiene ene la temp tempe eratu raturra “hab “habit ita able le”. ”. Dich cho o ca camp mpo o que tan ta nto nos  si sirrve se form forma a gr grac acia ias s a el movi vimi mien ento to co con nti tin nuo del lí líq quid uido co comp mpu ues esto to de hie ierr rro o mayormente, genera  corrientes eléctricas que a su vez van produciendo campos magnéticos, dicho ciclo se denomina geodinamo. En la  presente práctica de laboratorio nos hemos propuesto determinar la magnitud del ca camp mpo o magn magnét étic ico o  terr terres estr tre e en el luga lugarr dond donde e re real aliz izam amos os la prác prácti tica ca,, para para ello ello em empl plea eare remo mos s anal analog ogía ías s co con n  un im imán án,, y dedu deduci cien endo do algu alguna nas s fórm fórmul ulas as podr podrem emos os ampl amplia iarr el co conc ncep epto to haci hacia a lo que queremos comprobar.

2.FUNDAMENTO TEÓRICO: -

Camp Ca mpo o mag magné néti tico co te terr rres estr tre: e:

Como omo sa sab bemo emos  el pla lan neta eta tie tierr rra a fun funci cion ona a co com mo un camp ampo mag magnét étiico giga igant nte e en el cual ual la las s líneas magnéticas  salen de un polo (Polo sur magnético) y llegan hacia el otro polo (Polo norte magnético).  El campo magnético de la tierra es similar a la de un imán con forma de barra inclinado  un pequeño ángulo de 11° con  respecto al eje de rotación terrestre. Por esta razón los polos geográficos no coinciden con los polos de los campos magnéticos. Los campos  magnéticos rodean a las   corrientes eléctricas, de modo que se supone que esas corrientes  eléctr triicas circulantes, en el núcleo fundido de la Tierra, son el origen del campo magnético.  Un   bucle de corriente genera un campo similar al de la Tierra. La mag ma gnit itu ud del  camp ampo mag magnéti ético medid edido o en la supe uperfic rficie ie de la Ti Tie erra rra es alrede reded dor de med medio -4 Gaus Ga uss s (0 (0.5 .5x1 x10 0   T). Las líneas de fuerza entran en la Tierra por el hemisferio norte. La magnitud sobre  la superficie de la Tierra varía en el rango de 0,3 a 0,6 Gauss.(Olmo Nave, s.f.) Este Es te ca cam mpo  geomag magnéti nétic co es pr prod odu uci cido do por por la co comb mbiinaci nació ón de va vari rios os camp ampos genera nerad dos por diversas  fuentes, pero en un 90% es generado por la parte exterior del núcleo de la Tier Ti erra ra (l (lla lama mado do   Ca Campo mpo Pr Prin inci cipa pal  l  o `` ``Ma Main in Fi Fiel eld' d'') ').E .Est ste e ca camp mpo o geom geomag agné néti tico co es prod produc ucid ido o por la  combinación de varios campos generados por diversas fue fuente tes s, pero en un 90% es generado por  la parte exterior del núcleo de la Tierra (llamado   Ca ``Main in Campo mpo Prin Princi cipa pal  l  o ``Ma Field''). El otr tro o  10% res esta tan nte es infl nfluid uido us usua uallmen mente por la in inte tera racc cciión de la io ion nos osfe fera ra con el vi vien ento to so sola larr y  las co corr rrie ien ntes tes que que fluy fluyen en por la co cort rte eza ter terrest restre re.. Sin emba mbargo rgo en cie iert rta as époc oca as de tormentas solares(  donde se registra una actividad solar exacerbada) se producen pequeños incrementos en el campo magnético

 

  Figura 1:Líneas de campo magnético terrestre. Extraido de: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees hy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/MagEarth.htm /magnetic/MagEarth.htmll. http://hyperphysics.p

El campo magnético de la tierra cambia de intensidad y orientación con el paso del tiempo ya que este es generado por el movimiento en las aleaciones de hierro fundido encontrado en el núcleo externo del planeta.

Figura 2: Variación del campo magnético con el pasar de los años.

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Magnetismo:

El magnetismo  es un fenómeno físico caracterizado por los cuerpos que poseen esta propiedad,

ejercen  fuerzas

atractivas-repulsivas

sobre

otros

objetos.Determinados

 

materiales poseen  propiedades magnéticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imán tiene dos polos: el polo norte y el polo sur.

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Determina Determ inació ción n de la compo componen nente te del del campo campo magné magnétic tico o terrest terrestre re tangencial (Horizontal):

El campo  magnético que actúa sobre la barra magnética ejerce sobre ésta un par de fuerzas, proporcional  al ángulo θ .  Al poder rotar el imán se orientará en la dirección del ca camp mpo o magn magnét étic ico, o,  hast hasta a ento entonc nces es un par par de fuer fuerza zas s prod produc ucen en un mo movi vimi mien ento to armó armóni nico co de rotación cuyo periodo T está dado por la siguiente relación:

Fuente: Manual de laboratorio de física general. UNI- FC

B es  la intensidad de campo magnético terrestre en un punto, depende de sus polos magnéticos y  es tangente a la línea de fue fuerza que pasa por dicho punto. Si θ >15° entonces podremos considerar un movimiento armónico simple, y se cumplirá la siguiente relación:

Donde: I = Momento de inercia de la barra de imán. μ = Momento magnético.  Bx = Componente tangencial (Horizontal) del campo magnético externo.

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Interac Inte racció ción n de la brú brújul jula a con con la la barra barra mag magnét nética ica..

 Analizando el  sistema notaremos que la barra magnética se orientará en sentido perpendicular perpendicu lar al campo magnético terrestre.

 

  Fuente: Manual de laboratorio de física general. UNI- FC

La aguj aguja a  magn magnét étic ica a se desv desvia iará rá por por efec efecto to del del co comp mpon onen ente te hori horizo zont ntal al del del ca camp mpo o magn magnét étic ico o terrestre y del campo magnético inducido por la barra. Tal como se muestra a continuación:

Fuente: Manual de laboratorio de física general. UNI- FC

En est sta as  co cond ndic icio ion nes es,, una brúju rújulla co colo loca cad da a un una a dis ista tan nci cia a “d” “d” del ce cent ntrro de la ba barr rra a est sta ará sometida a  dos campos magnéticos, el terrestre y el del imán. El campo resultante se ca calc lcul ular ará á de  mane manera ra se seme meja jant nte e al de un ca camp mpo o elec electr tros ostá táti tico co debi debido do a ca carg rgas as punt puntua uale les, s, de la siguiente manera:

 B   R

3.EQUIPO:

=

(

2π T (d 2  −

2 μ  I  d  tg ϕ   L L2 4

)√

4π

 

 

Un hilo pabilo.

Un cronómetro

1 regla milimetrada.

1 imán.

Una brújula.

 

Soporte de madera

4.PROCEDIMIENTO: ●

Suspend Suspende e la barra barra magnét magnética ica por por su centro, centro, con con un hilo hilo muy muy delgado delgado tal tal como se muestra en la figura (debe tener cuidado antes de continuar la experiencia, que la barra suspendida esté horizontal y haya llegado a un estado de reposo).

●

Haga oscila oscilarr la barra barra en un plano plano horizo horizontal ntal,, alrededor alrededor de de la direcció dirección n que tenía tenía en estado de reposo. La amplitud de este movimiento debe ser pequeña. Mida Mida el tiemp tiempo o de 10 osci oscilac lacion iones es compl completa etas. s. Repit Repita a el el paso paso 3, cuat cuatro ro vec veces es más. más. Mida las dimen dimension siones es de la barra barra y determ determine ine su su masa. masa. Coloque Coloque la brúju brújula la sobre sobre una hoja hoja grande grande de papel papel y traza traza un eje eje que coincid coincida a con la dirección de la aguja. Este eje tendrá la dirección de la componente horizontal del campo magnético (debe tener cuidado que el imán se encuentre “bastante alejado” de la brújula). Sin mover mover la brújul brújula, a, coloque coloque la barra barra magné magnética tica tal tal como se muestr muestra a en la figura, figura, donde “d” toma valores de 20, 25, 30, 35, 40 cm; en cada caso mida el valor de φ.

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5.CÁLCULOS Y RESULTADOS: 1. Deduzca las ecuaciones (34.1) y (34.2) explicando claramente las condiciones que se debe cumplir en cada caso.

La inducción magnética en todo punto es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto y esta tangente no necesariamente es horizontal en la región considerada de la superficie terrestre. Una barra magnética suspendida por un hilo muy delgado tal como se muestra en la figura, está en condiciones de oscilar debido a su interacción con el imán tierra. Si la amplitud del movimiento oscilatorio de la barra magnética es pequeña, su periodo de oscilación (T), estará dado por

 

  2. ¿Cuál es el valor del momento de inercia de la barra?

Medidas de la barra: Largo: L = 0.152 m  Ancho: A = 0.006 m  Alto: H = 0.018 m Masa: M = 0.1353Kg

Momento de inercia de una barra:

 =( +  )*1/12 Reemplazando Reemplazand o datos:  =(0.1353)(0.1 =(0.1353)(0.152 522+   0.018 2)*1/12  = . − .  

 

 

Ahora obtenemos B, que resulta de hacer el promedio de los valores obtenidos. B=(0.315 + 0.120 + 0.063 + 0.042 + 0.027)/5  = .   Considerando que el campo de la Tierra promedio en el lugar en el laboratorio según datos bibliográficos es de 0.25 Gauss, calculamos el porcentaje de error:

%error=(0,113-0,25)/0,25 %error=54,8% 4.  ¿En qué lugar o lugares de la tierra el campo magnético terrestre es máximo? ¿Por qué?

El ca camp mpo o  ma magn gné éti tico co es má máxi ximo mo en los po polo loss mag agné néttic ico os de la tie ierr rra a de debi bid do a qu que e all llíí se encu en cuen enttra co con nce cen ntr tra ada  la ma mayo yorr ca cant ntid idad ad de lín ínea eass de fue uerz rza a ma magn gné éti tica ca qu que e pued ede en salir o entrar según sea el caso (norte o sur). Experimentalmente determinamos  que en los lugares donde el campo magnético es máxi má ximo mo so son n  en la lass pr pro oxi xim mid ida ade dess de lo loss po polo loss (a (amb mbos os su surr y no nort rte e) cu cuyo yo va valo lorr es 0.6 .65 5Gy por el  contrario los campos magnéticos mínimos son aquellos lugares cercanos al Ecuador siendo 0.25 G . El va valo lorr  de dell ca cam mpo mag agn nét étic ico o tan anto to má máxi ximo mo y mí míni nimo mo se debe ben n a qu que e el án ángu gulo lo en entr tre e la hor oriz izo ont ntal al y  la di dire recc cció ión n que to toma ma la agu guja ja de in incl clin ina aci ció ón, en un lug ugar ar cu cual alqu quie ierra, es lo que se denomina "ángulo de inclinación" o "inclinación magnética” siendo 90º en las zonas polares ocasionado un máximo valor del campo, y siendo cero en el ecuador magnético.

 

5.¿Por qué no se considera en este experimento la componente radial del campo magnético terrestre? El componente  radial de estas líneas del campo dará lugar a una fuerza paralela al cam ca mpo y  di dirrig igid ida a hac acia ia la reg egió ión n de una fuer erza za más pe pequ queñ eña a de dell ca cam mpo po,, po porr es esa a ra razzón obviamos esta componente ya que no da cambios relevantes.

6.CONCLUSIONES: La brújula  reacciona ante la cercanía de un imán, debido a que esto afecta al campo mag ma gnét étiico te terr rre est stre re  con el que que inte nteract ractu uaba aba en un inic icio io,, mie mient ntrras más ce cerc rca a el imán mán mayo yor  r  se será rá la  desv desvia iaci ción ón del del imán mán, dicha icha des desvi via aci ció ón resp respo ondía ndía a es este te co comp mpo orta rtamie mient nto o: Mie ien ntra tras más cerca el imán el ángulo de desviación aumentaba poco a poco en sentido antihorario. El imán  interactúa con la aguja de la brújula, pues la aguja se encuentra imantada, cumpliéndose la  repulsión y la atracción entre polos y por ello ante cualquier campo magnético la aguja de brújula sufrirá una desviación. Los intervalos  de tiempo hallados en las repeticiones donde se realizaron las diez osci oscila laci cion ones es re resu sult ltar aron on  pare pareci cido dos s debi debido do a que que no hubo hubo fa fact ctor ores es exte extern rnos os que que af afec ecta tase sen n al campo magnético al que la brújula estuvo sometida.

7.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: -

Olmo, N.  (s.f.). Campo Magnético de la Tierra. Recuperado de :http://hyperphysics.phy-astr.gsu http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees .edu/hbasees/magnetic/Mag /magnetic/MagEarth.html Earth.html   Robert Resnick  – física para estudiantes de ciencias e ingeniería – vol. II – editorial continental – pág. 1047 - 1051 Facultad de  ciencias. (2009). “Guía de laboratorio de física general ”. Univ Univer ersi sida dad d Nacional de Ingeniería.