Informe 7 FISICA 3

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA) FACULTAD DE INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Sistemas

LABORATORIO DE FISICA III – ELECTROMAGNETISMO INFORME N°7 Integrantes:  Rojas Orihuela, Kevin  Torres Mori, Carlos  Tuesta Gonzáles, Sebastián  Yupanqui García, Andy Fecha de ejecución:31/05/2016 Fecha de entrega: 03/06/2016 Turno: Viernes

2016

INTRODUCCIÓN: La existencia del campo magnético terrestre es un fenómeno conocido desde hace muchos años, a raíz de que se observó que si se deja girar libremente una aguja imantada (colgándola de un hilo, equilibrándola sobre una punta o haciéndola flotar sobre agua u otro líquido), ésta se orienta siempre en una dirección determinada, aproximadamente Norte-Sur, que es la del campo magnético terrestre. Este comportamiento de las agujas imantadas indica que la Tierra se

comporta

como

un

enorme

imán

cuyos polos, Norte y Sur, no coinciden exactamente con los polos geográficos por donde pasa el eje de rotación del planeta.

OBJETIVOS:

 Determinar las características del campo magnético de la Tierra.  Determinar la componente horizontal del campo magnético terrestre en el laboratorio.  Analizar el comportamiento de una barra magnética en un campo magnético.

MATERIALES IMANES

MAGNETÓMETRO

BRÚJULA

CRONÓMETRO

VERNIER

BALANZA

FUNDAMENTO TEÓRICO: ANTECEDENTES DEL MAGNETISMO Desde el año 800 a. C. los griegos ya tenían conocimientos sobre el magnetismo.

Descubrieron que la magnetita (Fe3O4) atrae fragmentos de hierro. La leyenda adjudica el nombre magnetita al pastor Magnes, que atraía trozos de magnetita con los clavos de sus sandalias y el casquillo de su bastón mientras pastoreaba sus rebaños. En el año 1269 un francés de nombre Pierre de Maricourt descubrió que las direcciones a las que apuntaba una aguja al acercársele un imán natural esférico formaban líneas que rodeaban a la esfera y pasaban a través de ésta en dos puntos diametralmente opuestos uno del otro, a los que llamó polos del imán. Experimentos consecutivos demostraron que todo imán, cualquiera que fuera su forma, tiene dos polos, uno norte (N) y otro sur (S), que ejercen fuerzas sobre otros polos magnéticos de manera similar a como las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. Esto es, polos iguales (N-N o S-S) se repelen y polos opuestos (N-S) se atraen.

Materiales magnéticos 1) Diamagnéticos. Son aquellos materiales en los que sus átomos no tienen momento magnético resultante; debido a esto no pueden interactuar magnéticamente con otros materiales. Ejm: Plata, cobre, bismuto, agua. 2) Ferromagnéticos. Unas pocas sustancias cristalinas exhiben magnéticos intensos, lo que se conoce como ferromagnetismo. Ejm: Hierro, cobalto, níquel.

efectos

3) Paramagnéticos. Las sustancias paramagnéticas tienen un magnetismo pequeño pero positivo, resultado de la presencia de átomos (o de iones) con momentos magnéticos permanentes. Estos momentos interactúan sólo de manera débil entre sí y se orientan al azar en ausencia de un campo magnético externo. Ejm: Platino, aluminio, aire.

Campo Magnético de la Tierra

Cuando se dice que un imán de brújula tiene un polo norte y un polo sur, es más adecuado decir que tiene un polo “que busca el norte” y un polo “que busca el sur”. Al decir esto se expresa que un polo del imán busca, o apunta hacia el polo norte geográfico de la Tierra. En vista de que el polo norte de un imán es atraído hacia el polo norte geográfico de la Tierra, se concluye que el polo sur magnético de la Tierra está localizado cerca del polo norte geográfico, y el polo norte magnético de la Tierra está localizado cerca del polo sur geográfico.

Origen del Campo Magnético de la Tierra Es cierto que la Tierra tiene grandes depósitos de hierro por debajo de su superficie, pero las elevadas temperaturas en el núcleo de la Tierra impedirían que el hierro retuviera cualquier magnetización permanente. Los científicos piensan que es más probable que el verdadero origen del campo magnético de la Tierra se deba a corrientes de convección en su núcleo. Iones cargados o electrones circulando en el interior líquido podrían producir un campo magnético igual a como ocurre en una espira de corriente. También existe una fuerte evidencia de que la magnitud del campo magnético de un planeta está relacionada con su velocidad de rotación. Por ejemplo, Júpiter gira más rápido que la Tierra, y las sondas espaciales indican que el campo magnético de Júpiter es más fuerte que el terrestre. Venus, por otro lado, gira más despacio que la Tierra, y su campo magnético es más débil.

La brújula La brújula señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso) apunta lo contrario en una brújula.

CÁLCULO DEL Campo magnético de la Tierra Coloque la brújula sobre la mesa y observe la dirección que indica la aguja. Gire la brújula repetidamente en diferentes direcciones. ¿Cómo se comporta la aguja? Consejo: Mantenga la brújula alejada lo suficiente de los imanes de barra. A 0,5 m de distancia, la influencia es todavía clara, mientras que a 1 m, por lo general, es suficientemente escasa  La aguja se orienta cada vez en otra dirección  La aguja se orienta siempre en la misma dirección

En la gráfica, la brújula está rotulada con los puntos cardinales. ¿Cuál es la rotulación correcta?

¿Cuál es la polaridad del lado de la aguja magnética que se orienta hacia el polo norte geográfico?

El ángulo que forma el Meridiano Magnético respecto de la dirección del meridiano geográfico se llama declinación magnética (D) y puede estar posicionado a la izquierda (W) o a la derecha (E) del meridiano geográfico. Por convención se estableció que las declinaciones magnéticas posicionadas al W (oeste) del meridiano geográfico que pasa por el lugar serán Negativas (D -) y las que estén a la derecha o E (este) serán Positivas (D +). Estudios realizados durante muchos años permitieron establecer que la D (declinación magnética) mantiene un sentido de crecimiento o aumento de su valor en grados hasta llegar a un valor máximo que mantiene durante un período considerable para comenzar a decrecer (disminución de su valor en grados). Las líneas de fuerza salen e ingresan al núcleo de la Tierra atravesando la corteza terrestre, son tangenciales al meridiano magnético. El meridiano magnético describe un arco que provoca que al ingresar en el polo norte magnético lo hagan en forma vertical a la superficie terrestre. Cuando la inclinación es horizontal las líneas de fuerza están ubicadas en el Ecuador Magnético y a medida que se alejan hacia los polos se inclinan hasta llegar a la verticalidad en los polos, saliendo del polo sur e ingresando en el polo norte magnético. La intensidad del campo magnético terrestre B en un punto dado depende de sus polos magnéticos y es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. Cuando una barra magnética suspendida mediante un hilo muy delgado formando un ángulo α con la componente horizontal del campo magnético terrestre, inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magnética, como se muestra. Si el ángulo α < 15º entonces el movimiento de la barra magnética se podrá considerar como armónico simple, en este caso su periodo de oscilación está dado por:

(1)

Donde, I es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotación, μ es el momento magnético de la barra y BX es la componente horizontal del campo magnético terrestre. Por definición, el momento magnético de la barra está dado por: μ = m.L

(2)

donde, m es la “ la carga magnética “ o también llamada “masa magnética” y L es la distancia entre las “masas magnéticas”. De la ecuación (1) se deduce que: (3) El momento de inercia de un paralelepípedo rectangular de masa M que gira alrededor de un eje, está dado por:

Por otro lado, la magnitud del campo magnético B de la barra magnética, en el punto P, tal como se muestra, se encuentra a partir de la ley de Coulomb para el campo magnético, y viene dada por:

donde, d es la distancia desde el punto medio de la barra al punto P (ver Figura 3) y m es la masa magnética. En el SI

Si la barra magnética se orienta perpendicularmente al campo magnético terrestre, se encuentra que, en el punto P, el campo magnético total, BT, está en la dirección como el que se muestra en la Figura 3. Cuando el ángulo Φ = 45º entonces el campo

magnético de la barra es igual a la componente horizontal del campo magnético terrestre, es decir, Bp = Bh. Cuando esto ocurre la ecuación (5) se transforma en:

PROCEDIMIENTO: 1. Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las calibraciones de los equipos 2. Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magnética, M, en kilogramos. Con el vernier mida las dimensiones, “a” y “b”, de la barra magnética. A partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magnética usando la siguiente expresión:

(

I=

a 2+ b2 M 12

)

(7)

Anote tus resultados en la Tabla 1. TABLA 1 MASA

LONGITUD

ANCHO

MOMENTO DE INERCIA

M(kg)

a(m)

b(m)

I(kg-m2)

0,0185 kg

0.061 m

0,006

0.00000579204 kg-m2

3. Determina la distancia, L, entre los polos magnéticos del imán. Para ello utilice la brújula. Antes de realizar la medición desaloje de la mesa de trabajo todo material magnético, como, por ejemplo, reloj, anillos, gafas, etc. Coloque la barra magnética en el centro de la mesa y con la ayuda de la brújula trace algunas líneas de fuerza, que se salgan de los polos. Prolongando las líneas trazadas en la dirección en que ellas parecen converger para encontrar la posición de los polos magnéticos. Observe la Figura 4, mida la distancia L (distancia entre los polos magnéticos), y anote el valor en la Tabla 2.

4. Determine la dirección del campo magnético terrestre, retirando lo más lejos posibles la barra magnética y coloque la brújula en el centro de la mesa. Trace la dirección del campo magnético terrestre. 5. Trace una perpendicular a la dirección del campo magnético terrestre y sobre esta recta alinee la barra magnética, tal como se muestra en la Figura 3. El punto P es la intersección de las dos rectas que se han trazado. 6. Coloque la brújula en el punto P. Acercándose o alejando la barra magnética al punto P se consigue que las agujas de la brújula formen un ángulo Φ = 45º. En esa posición mida la distancia “d” y registre este dato en la Tabla 2. 7. Suspenda la barra magnética en la horquilla del magnetómetro y alinéela en la dirección del campo magnético terrestre. Con la ayuda de otra barra magnética produzca oscilaciones con ángulos de giro no mayores de 10º, que no tenga vibraciones laterales. Retire todos los cuerpos magnéticos una vez que la barra esté oscilando. 8. Mida el tiempo que emplea la barra magnética en realizar 10 oscilaciones completas y determine su periodo T. Repita esta medición 5 veces como mínimo y registre estos valores en la Tabla 2. TABLA 2 N° DE MEDICIONES N° DE OSCILACIONES TIEMPO: t(s) PERIODO: T(s) L= (0,055) m

1 10 22,1 2,21

2 10 20,82 2,082

3 4 10 10 23,2 19,5 2,32 1,95 d= (0,101) m

2,1

5 10 21 T = 2,1324 Bh = 10.32*10-6

Cuestionario:

Conclusiones:

 No se puede determinar la dirección del campo magnético terrestre a través de la brújula, por las alteraciones que pueda tener esta o la alteración de cuerpos cargados.  El espacio alrededor de un imán permanente está ocupado por el campo magnético. De igual forma, las corrientes eléctricas producen campos magnéticos.  La interacción entre polos magnéticos del mismo nombre es repulsiva, y entre polos de distinto nombre es atractiva, en forma análoga a las cargas electrostáticas.

Recomendación:  Se recomienda antes de realizar las líneas de fuerza con la ayuda de la brújula desalojar de la mesa de trabajo todo material magnético, como, por ejemplo, reloj, celulares, gafas, etc.

Bibliografía:



http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/088/ht ml/sec_11.html



FCF. (2014). Laboratorio de Física III: Electricidad y Magnetismo. 19/04/2016, de Facultad de ciencias físicas Sitio web: http://fisica.unmsm.edu.pe/index.php/Laboratorio_de_F %C3%ADsica_III:_Electricidad_y_Magnetismo

 

Raymond A. Serway y John Jewett. Física para ciencias e ingenierías con Física Moderna Volumen 2 Séptima Edición pág. 808 853 854 856 857 http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/index9.htm



http://g1ibarra.blogspot.pe/2015/03/la-brujula.html