Experimentando con la ciencia

Experimentando con la ciencia La actividad "Experimentando con la Ciencia", forma parte del conjunto de itinerarios científicos de la Semana de la Cie...
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Experimentando con la ciencia La actividad "Experimentando con la Ciencia", forma parte del conjunto de itinerarios científicos de la Semana de la Ciencia y Tecnología de la Universidad de Oviedo. Esta actividad se lleva a cabo en el Edificio Científico-Tecnológico, situado en el Campus del Cristo, en Oviedo. En este edificio se encuentran la mayor parte de los grandes equipos que forman los Servicios Científico-Técnicos (SCTs) de la Universidad de Oviedo. Estos equipos dan soporte a la actividad de grupos de investigación de la Universidad, así como de otras instituciones públicas y privadas.  Líneas de campo magnético: Limaduras de Fe en una caja transparente Experimento de Oested un hilo de cobre introducido en dos soportes de madera y conectado en serie con una pila se intercala una brújula en el medio, al pasar la corriente se observa la creación de un campo magnético por la desviación de la aguja, además se pegan al cable las limaduras de Fe. 

   

Motor eléctrico hecho con una pila de 1.5 V :A la pila que se pegan dos imanes circulares por la parte inferior , dos cables unidos con forma circular, pelados y unidos por la mitad, se posan sobre el polo positivo de la pila (superior) y sobre los imanes inferior, el cable, girará (forma parecida al aerogenerador de Savonius) Freno eléctrico: Con una fuente de alimentación del ordenador y un disco duro con disco de aluminio, se frena al acercarle un imán permanente con una barrera Flauta mágica: Al dejar caer un imán esférico por un tubo de cobre este baja frenado. Carril de cortina con cuatro imanes o cinco imanes y bolas de acero para demostrar en funcionamiento del acelerador de partículas Batidora con un imán en la hélice se hace girar dentro de una flanera de aluminio que flota en agua, la flanera también girará http://www.otri.uniovi.es/Experimentos/index.html

El magnetismo es esencialmente un fenómeno cuántico-relativista muy complejo y su estudio a nivel microscópico puede considerarse como una de las ramas más activas de la física moderna. Sin embargo, los efectos macroscópicos del magnetismo son muy conocidos y todos hemos experimentado alguna vez con las fuerzas de repulsión y atracción entre dos imanes. Al hablar de magnetismo es imposible no referirse también al electromagnetismo, que es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos a nivel macroscópico, puesto que ambos aparecen íntimamente ligados en la naturaleza. Hoy en día, el electromagnetismo es uno de los pilares más importantes de la industria, puesto que el funcionamiento de muchas máquinas eléctricas se basa en el principio de inducción electromagnética. La investigación en nuevos materiales con propiedades magnéticas interesantes abre la puerta a nuevas aplicaciones de los efectos magnéticos. Entre estos materiales están los superconductores, que tienen la capacidad de conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones. La superconductividad permite plantear aplicaciones en las que se aproveche la pérdida de resistencia eléctrica y que requieran generar campos magnéticos muy intensos: trenes de levitación magnética, sistemas de generación de imágenes por Resonancia Magnética Nuclear, fusión por confinamiento magnético, nuevos dispositivos electrónicos Imanes Podemos clasificar los imanes en dos tipos: permanentes (que se pueden construir a partir de diferentes materiales y mantienen continuamente sus propiedades magnéticas) y electroimanes (construidos a partir de una bobina por la que circula una corriente eléctrica y cuyas propiedades cesan en cuanto lo hace el suministro eléctrico). Todos ellos presentan las siguientes características:  Un imán posee dos tipos de polos, en los que se concentra la actividad magnética.  Los polos del mismo tipo se repelen y de tipo opuesto se atraen.  No se ha observado nunca un polo magnético aislado.  Cada imán genera su propio campo magnético.

Experimento 1. ¿Cómo visualizar el campo magnético? Para observar el campo magnético que crean diferentes tipos de imanes, utilizamos placas de Petri rellenas de polvo de hierro. Sólo es necesario introducir una cantidad de polvo muy pequeña dentro de cada placa y sellarla con celo o Parafilm® para que el polvo no salga al exterior. Es necesario agitar un poco la placa para que el polvo se reparta por su superficie. Si se acerca un imán por la parte inferior de la placa, se pueden observar líneas de campo magnético. Experimento 2. Imanes de nevera 





Los imanes de nevera tienen una estructura interna similar a la de varios imanes de herradura colocados uno al lado de otro, de tal forma que la cara magnética de los imanes de nevera presenta una sucesión de polos norte y sur. Su estructura interna explica sus propiedades: se pegan en la nevera, pero, sin embargo, no pueden atraer un clavo de hierro; sólo presentan una cara magnética; no son atraídos por un imán lineal… Toma un imán de nevera y córtalo en dos trozos. También puedes tratar de encontrar dos imanes de nevera idénticos. Enfrenta entre sí dos caras magnéticas, de tal forma que se conserve la orientación relativa original entre los dos trozos. Trata de desplazar ahora un imán sobre otro. Prueba en un sentido y en el que forma 90º con el primero. En uno de estos movimientos notarás que los imanes se desplazan “a saltos”. Esto se debe a que los imanes se mueven automáticamente hasta que se enfrentan polos opuestos de las bandas que los forman. Al intentar desplazar los dos imanes se producirán nuevos saltos hasta las nuevas posiciones en la que los polos opuestos vuelvan a enfrentarse. Si miras atentamente la parte magnética de estos imanes, te darás cuenta de que, aunque tenuemente, eres capaz de distinguir bandas paralelas, que se corresponden con los diferentes polos magnéticos. Si giras ahora 90º uno de los trozos del imán de nevera del experimento anterior observarás que los imanes no se pegan, debido a que hay zonas en las que coinciden polos opuestos y otras en las que se enfrentan polos iguales.

Fuerza magnética Existen dos vínculos fundamentales que relacionan las cargas eléctricas y el campo magnético. El primero de ellos es el siguiente: Una carga eléctrica experimenta una fuerza cuando se mueve en un campo magnético. El movimiento de la carga es indispensable para la aparición de esta fuerza. Así, cuando un conductor de longitud L por el que circula una corriente eléctrica I (es decir, cuando existe un movimiento de cargas en su interior) se sitúa en el interior de un campo magnético B, actúa sobre él una fuerza de valor: El operador matemático producto vectorial (x) indica que la fuerza es máxima cuando la carga se mueve perpendicularmente a la dirección del campo magnético y que es nula si se mueve paralela a él. Esta fuerza magnética es la responsable, entre otras aplicaciones, del movimiento de los motores eléctricos.

Experimento 3. Motores homopolares

Agustín Martín Muñoz CSIC, Madrid.

Mostramos la construcción de un modelo de motor homopolar, uno de los más antiguos tipos de motores eléctricos. Se caracterizan porque el campo magnético del imán mantiene siempre la misma polaridad (de ahí su nombre, del griego homos, igual), de modo que, cuando una corriente eléctrica atraviesa el campo magnético, aparece una fuerza que hace girar los elementos no fijados mecánicamente. En el sencillísimo motor homopolar colgado (Schlichting y Ucke 2004), el imán puede girar libremente mientras que el cable está fijo. El modelo que presentamos a continuación no permite girar al imán, y sí al cable (Featonby 2006). Necesitamos un imán cilíndrico de pequeño diámetro de neodimio-hierro-boro (potentes y asequibles), una pila y un cable de cobre rígido, sin aislamiento, doblado como se ve en la figura 1a. Por estabilidad de la estructura, hemos usado un imán mayor como base de todo el conjunto, pero serviría igual una pieza de hierro. El diámetro del bucle inferior debe ser sólo ligeramente superior al del imán, de modo que exista un compromiso entre buen contacto eléctrico y poco rozamiento. Cuando colocamos todos los elementos como se ve en la figura 1b, el cable de cobre comienza a girar alrededor de la pila y del imán.

Figura 1. (a) Elementos del motor. (b) Configuración de funcionamiento. El funcionamiento se basa en la fuerza que aparece sobre una carga en movimiento al atravesar un campo magnético (figura 2). Las líneas de fuerza del campo magnético del imán son verticales, perpendiculares a la mesa. La pila forma, con el cable y el imán, un circuito eléctrico por el que circula una corriente cuando el bucle inferior del cable hace contacto con el imán. Dicha corriente es siempre ortogonal al campo magnético, lo que da lugar a un torque sobre el cable respecto del imán, que es el eje de giro. Da igual que las dos ramas del cable se enrollen en el mismo sentido o en sentidos opuestos, puesto que la corriente llevará siempre dirección radial en el imán. De hecho, ni siquiera hace falta bucle alrededor del imán, basta con que haya contacto cable-imán. Cuanto mejor sea este contacto, mayor será la corriente y podremos llegar a apreciar un notable calentamiento del cable debido al efecto Joule. Las orientaciones del imán o la pila no son relevantes, pues si se invierte la polaridad de alguno de ellos el giro sería en sentido opuesto. Si cortamos una de las ramas del cable, por ella no circulará corriente,

pero sí por la otra, de manera que seguiremos teniendo torque del cable respecto del imán y nuestro motor también funcionará. Cambiando la pila o el imán, o variando las características del cable de cobre (grosor, geometría etc.), podemos modificar la velocidad de giro. Las aplicaciones prácticas de nuestro motor están limitadas por la potencia que puede suministrar la pila pero, además de la evidente utilidad didáctica, se podría pensar en usarlo, por ejemplo, como dispositivo para mover un expositor giratorio donde no haya posibilidad de enchufar un motor convencional y no dispongamos de células solares. Figura 2.- Esquema del motor, con las direcciones del campo magnético, de la corriente (se mueven las cargas negativas) y de la fuerza. A la derecha se muestra una vista superior suponiendo que la pila es transparente. Los círculos con un punto en el centro indican que el sentido de los vectores es hacia fuera del papel, y con una cruz indican que el sentido es hacia dentro del papel.

REFERENCIAS FEATONBY, D. (2006). Inspiring experiments exploit strong attraction of magnets, Physics Education, 41, 292-295 SCHLICHTING, H. J. AND UCKE, C. (2004). A fast, high-tech, low cost electric motor construction. Physik in unserer Zeit, 35, 272-273. Versión en inglés en http://www.fysikbasen.dk/Referencemateriale/PDFartikler/Unipolarmotor_English

Campo magnético creado por una corriente eléctrica El segundo vínculo fundamental entre la carga eléctrica y el campo magnético es el siguiente: Una corriente eléctrica produce un campo magnético. Experimento 4. Experimento de Oersted

Hemos repetido la experiencia realizada por el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851), quien encontró que una brújula se desviaba cuando se encontraba próxima a un hilo conductor por el que pasaba una corriente eléctrica. Esta desviación implica la existencia de un campo magnético en la región vecina al conductor.

Inducción Electromagnética La inducción electromagnética es el fenómeno responsable de la producción de una fuerza electromotriz en un cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un cuerpo móvil respecto a un campo magnético estático. Si dicho cuerpo es conductor, se generan en él corrientes eléctricas inducidas. El sentido de estas corrientes es tal que generan un campo magnético que trata de oponerse a aquel que las ha producido. La inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual operan transformadores, motores, generadores y muchas otras máquinas eléctricas.

Experimento 5. La flauta mágica

Material:

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1 tubo de cobre (longitud aproximada: 500 mm) 1 tubo de plástico 1 bola de acero 1 imán de neodimio-hierro-boro en forma de bola



Consigue dos bolas metálicas de similares dimensiones. Una de ellas debe ser una bola de acero inoxidable (se puede obtener del juego GEOMAG®) y otra debe ser un imán de neodimio-hierroboro con forma esférica. Deja caer la bola de acero dentro de un tubo de cobre. Observa la velocidad a la que cae. Deja caer ahora la bola-imán dentro del tubo. Debido a las corrientes inducidas en el tubo por el imán en movimiento, la velocidad de caída es menor que en el caso de la bola de acero. El experimento puede realizarse también tomando un tubo de cobre en el que, a modo de flauta, se han hecho unos orificios en toda su longitud. De esta forma se puede observar visualmente la caída de las dos bolas. Repite el experimento utilizando un tubo de plástico, y observa que la velocidad de caída es prácticamente idéntica para ambas bolas.







Experimento 6. La batidora electromagnética







En un recipiente con un poco de agua coloca un molde de aluminio, que es un material conductor de la corriente eléctrica pero que no tiene propiedades magnéticas (no es atraído por los imanes). Por otra parte construye una batidora electromagnética, que está formada por un taladro de mano en cuyo mandril se coloca una varilla, que a su vez va unida a un imán. El taladro de mano permite girar el imán dentro del molde de aluminio, sin tocar sus paredes. El campo inducido en el aluminio por el giro del imán tiende a acoplarse con el de éste último y el molde gira sobre el agua en el mismo sentido que lo hace el imán. También se puede sustituir la varilla con el imán por un tornillo al que se le ha acoplado un trozo de madera o plástico en su parte inferior, para demostrar que el efecto de inducción sólo se produce cuando existe un movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor. Si se sustituye el molde de aluminio por otro en el que se han hecho unos cortes verticales, las corrientes inducidas se producen en segmentos muy cortos del conductor y el campo magnético inducido es muy poco intenso, por lo que no se observa su acoplamiento con el campo del imán.

Levitación magnética El fenómeno de levitación magnética tiene lugar cuando se ejerce una fuerza de repulsión sobre un objeto que es lo suficientemente intensa como para equilibrar su propio peso. En este fenómeno se basa el funcionamiento de los trenes de levitación magnética, también conocidos como maglev Este tipo de trenes levita unos diez centímetros sobre las vías debido a las fuerzas de interacción entre los campos magnéticos producidos en los imanes situados en el tren y en los raíles. Al levitar, el tren puede desplazarse sin que haya ningún contacto con las vías, con lo cual se disminuye el rozamiento, lo que le permite alcanzar velocidades muy elevadas. Los materiales superconductores también pueden producir levitación. Sin embargo, no es necesario utilizar materiales tan especiales como los superconductores para poder observar este efecto y nosotros lo vamos a conseguir utilizando unos sencillos imanes permanentes.

Experimento 7. Los imanes flotantes Material: Imanes anulares Lápiz para insertar imanes  Inserta varios imanes anulares en un lápiz o bolígrafo liso y mantén el conjunto en posición vertical. Si se enfrentan los mismos polos de los imanes se observa que éstos levitan unos sobre otros, debido a que los polos idénticos se repelen.  Ladea el lápiz con los imanes insertados, despacio. Observarás que los imanes tienden a separarse, ya que la componente de su peso que sigue el eje del lápiz (que es la dirección en la que la fuerza de repulsión magnética es mayor y constante) es cada vez menor al perder la verticalidad.

Experimento 8. Frenos eléctricos. 



En este experimento se muestra un dispositivo creado a partir de un disco duro de ordenador en el que se ha reemplazado el disco metálico por un disco de aluminio. Sobre el disco, a pocos milímetros del mismo se coloca un imán que está unido a un balancín. Si se pone en funcionamiento el disco, las corrientes inducidas en el aluminio por el campo magnético del imán crean un campo que se opone al del imán y éste tiende a elevarse, como si fuera repelido por el disco. Una vez que se para el disco el efecto desaparece. Se repite la experiencia con otro disco de material no conductor, para comprobar que no se produce el efecto. El sistema del experimento anterior también puede utilizarse para observar cómo un campo magnético puede parar el movimiento del disco de aluminio. Mientras el disco está girando, se acerca el imán del balancín a pocos milímetros de su superficie. El disco puede llegar a pararse por completo. En este efecto se basa el funcionamiento de los frenos eléctricos que se utilizan generalmente en vehículos pesados.

Experimento 9. El rifle de Gauss. Un conjunto de imanes colocados sobre un riel y unas bolas de acero se utilizan a modo de acelerador magnético lineal. La primera bola se acerca rodando despacio al primer imán. Debido a la fuerza que el imán ejerce sobre la bola ésta se va acelerando hasta que lo golpea por uno de sus extremos. El movimiento de esta bola es transmitido por el imán a otras dos bolas colocadas junto a él en el extremo opuesto. Esta transferencia de energía cinética es tal que la segunda de estas bolas es capaz de vencer la atracción que la unía al primer imán y moverse con una mayor aceleración hacia un segundo imán, debido a la fuerza que éste ejerce sobre la bola. La energía cinética de esta segunda bola es mucho mayor que la de la bola que golpeó al imán anterior. El proceso se repite a lo largo de la línea de imanes y bolas colocados sobre el riel. La última bola de la cadena sale disparada del riel con una velocidad mucho mayor que la que tenía la primera de las bolas, debido a la ganancia de energía cinética que se ha ido acumulando en cada paso.