videos demostrativos de las aplicaciones de los campos magneticos
http://www.youtube.com/watch?v=i219jc0miOA
http://www.youtube.com/watch?v=uPR-32KogBk
http://www.youtube.com/watch?v=7_98nAjQYDE
martes, 12 de febrero de 2013
Campos Magneticos
CAMPO MAGNETICO
El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción magnética o densidad de flujo magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
Tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B. El módulo de la fuerza resultante será la existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.
El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad. Maxwell, por ejemplo, utilizó este enfoque, aunque aclarando que esas cargas eran ficticias.
Con ello, no solo se parte de leyes similares en los campos eléctricos y magnéticos
Con la llegada de las teorías del electrón de Lorentz y Poincaré, y de la relatividad de Einstein, quedó claro que estos paralelismos no se corresponden con la realidad física de los fenómenos, por lo que hoy es frecuente, sobre todo en física, que el nombre de campo magnético se aplique a B (por ejemplo, en los textos de Alonso-Finn y de Feynman).
Así, H describe cuan intenso es el campo magnético en la región que afecta, mientras que B es la cantidad de flujo magnético por unidad de área que aparece en esa misma región. Otra distinción que se hace en ocasiones es que H se refiere al campo en función de sus fuentes (las corrientes eléctricas) y B al campo en función de sus efectos (fuerzas sobre las cargas). El campo magnético es producido por la corriente eléctrica que circula por un conductor. Para determinar la expresión del campo magnético producido por una corriente se emplean dos leyes: la ley de Biot-Savart y la ley de Ampere.
Así, H describe cuan intenso es el campo magnético en la región que afecta, mientras que B es la cantidad de flujo magnético por unidad de área que aparece en esa misma región. Otra distinción que se hace en ocasiones es que H se refiere al campo en función de sus fuentes (las corrientes eléctricas) y B al campo en función de sus efectos (fuerzas sobre las cargas). El campo magnético es producido por la corriente eléctrica que circula por un conductor. Para determinar la expresión del campo magnético producido por una corriente se emplean dos leyes: la ley de Biot-Savart y la ley de Ampere.
LA LEY DE BIOT-SAVART
del sacacorchos. ut es un vector unitario que señala la dirección de la corriente, mientras que ur señala la posición del punto P desde el elemento de corriente dl.
Salvo en el caso de espira circular o de una corriente rectilínea, la aplicación de la ley de Biot-Savart es muy complicada.
Para determinar el campo producido por un solenoide sumando los campos producidos por cada una de las espiras que lo forman, existen dos aproximaciones: Mediante la ley de Biot-Savart se calcula el campo producido por una espira circular en un punto de su eje. Se supone que el solenoide de longitud L tiene N espiras muy apretadas, y luego, se calcula la contribución de todas las espiras al campo en un punto del eje del solenoide.
Salvo en el caso de espira circular o de una corriente rectilínea, la aplicación de la ley de Biot-Savart es muy complicada.
Para determinar el campo producido por un solenoide sumando los campos producidos por cada una de las espiras que lo forman, existen dos aproximaciones: Mediante la ley de Biot-Savart se calcula el campo producido por una espira circular en un punto de su eje. Se supone que el solenoide de longitud L tiene N espiras muy apretadas, y luego, se calcula la contribución de todas las espiras al campo en un punto del eje del solenoide.
LA LEY DE AMPERE
Si suponemos que el solenoide es muy largo y estrecho, el campo es aproximadamente uniforme y paralelo al eje en el interior del solenoide, y es nulo fuera del solenoide. En esta aproximación es aplicable la ley de Ampere. El primer miembro, es la circulación del campo magnético a lo largo de un camino cerrado, y en el segundo miembro el término I se refiere a la intensidad que atraviesa dicho camino cerrado. Para determinar el campo magnético, aplicando la ley de Ampere, tomamos un camino cerrado ABCD que sea atravesado por corrientes. La circulación es la suma de cuatro contribuciones, una por cada lado. Examinaremos, ahora cada una de las contribuciones a la circulación:
1. Como vemos en la figura la contribución a la circulación del lado AB
es cero ya que bien y son perpendiculares, o bien es nulo en el exterior del solenoide.
2.
3. Lo mismo ocurre en el lado CD.
4. En el lado DA la contribución es cero, ya que el campo en el exterior al solenoide es cero.
5. En el lado BC, el campo es constante y paralelo al lado, la contribución a la circulación es Bx, siendo x la longitud del lado.
2.
3. Lo mismo ocurre en el lado CD.
4. En el lado DA la contribución es cero, ya que el campo en el exterior al solenoide es cero.
5. En el lado BC, el campo es constante y paralelo al lado, la contribución a la circulación es Bx, siendo x la longitud del lado.
La corriente que atraviesa el camino cerrado ABCD se puede calcular fácilmente:
Si hay N espiras en la longitud L del solenoide en la longitud x habrá Nx/L espiras por las que circula una intensidad I. Por tanto, la ley de Ampère se escribe para el solenoide.
En el laboratorio, se emplean limaduras de hierro para hacer visibles las líneas del campo magnético, este procedimiento es muy limitado y requiere bastante cuidado por parte del experimentador. En el programa de ordenador se calcula, aplicando la ley de Biot-Savart, el campo magnético producido por cada espira en un punto de su plano meridiano, mediante procedimientos numéricos. Posteriormente, determina el campo magnético resultante, sumando vectorialmente el campo producido por cada espira en dicho punto. Posteriormente, se trazan las líneas del campo magnético que pasan por puntos equidistantes a lo largo del diámetro del solenoide.Si hay N espiras en la longitud L del solenoide en la longitud x habrá Nx/L espiras por las que circula una intensidad I. Por tanto, la ley de Ampère se escribe para el solenoide.
Podemos ver el mapa de las líneas del campo magnético de:
* Una espira circular
* Dos espiras, esta disposición simula las denominadas bobinas de Helmholtz, utilizadas en el laboratorio para producir campos magnéticos aproximadamente uniformes en la región entre las dos
bobinas.
Muchas espiras iguales y equidistantes, que simula el solenoide. El campo magnético es una magnitud vectorial y, por lo tanto, hay que definir su módulo, dirección y sentido.
= campo magnético, inducción magnética o densidad de flujo magnético.
La determinación de la hacemos experimentalmente a partir de un tubo de rayos catódicos que consta de:
* Cañón electrónico, que lanza electrones con una velocidad controlable.
* Pantalla fluorescente, que señala la incidencia del haz de electrones.
Observaciones: Si el haz de electrones se desvía, existe un campo magnéticoSe define como dirección de: "la dirección en que ha de moverse una carga para que el campo magnético no ejerza fuerza sobre ella". Supongamos que esto ocurre cuando, en la figura, tiene la dirección del eje OZ, siendo, por tanto, ésta la dirección de. Cuando la velocidad de la carga móvil es perpendicular al campo magnético, la fuerza que actúa sobre la carga es perpendicular a y, tal como en la figura. Consideremos que emitimos iones positivos a una velocidad no perpendicular a. Se observa que la fuerza que actúa sobre la carga, +q, móvil, es perpendicular a y, siendo su módulo proporcional al valor de la carga y a. Se define módulo de: "la constante de proporcionalidad entre F y ", es decir la fuerza ejercida sobre una carga positiva es opuesta a la ejercida sobre una negativa para valores fijos de y . Dado que el sentido de es inmedible (es un ente abstracto inventado), definimos sentido de: "aquél que cumple la relación. Donde q viene afectado de
Muchas espiras iguales y equidistantes, que simula el solenoide. El campo magnético es una magnitud vectorial y, por lo tanto, hay que definir su módulo, dirección y sentido.
= campo magnético, inducción magnética o densidad de flujo magnético.
La determinación de la hacemos experimentalmente a partir de un tubo de rayos catódicos que consta de:
* Cañón electrónico, que lanza electrones con una velocidad controlable.
* Pantalla fluorescente, que señala la incidencia del haz de electrones.
Observaciones: Si el haz de electrones se desvía, existe un campo magnéticoSe define como dirección de: "la dirección en que ha de moverse una carga para que el campo magnético no ejerza fuerza sobre ella". Supongamos que esto ocurre cuando, en la figura, tiene la dirección del eje OZ, siendo, por tanto, ésta la dirección de. Cuando la velocidad de la carga móvil es perpendicular al campo magnético, la fuerza que actúa sobre la carga es perpendicular a y, tal como en la figura. Consideremos que emitimos iones positivos a una velocidad no perpendicular a. Se observa que la fuerza que actúa sobre la carga, +q, móvil, es perpendicular a y, siendo su módulo proporcional al valor de la carga y a. Se define módulo de: "la constante de proporcionalidad entre F y ", es decir la fuerza ejercida sobre una carga positiva es opuesta a la ejercida sobre una negativa para valores fijos de y . Dado que el sentido de es inmedible (es un ente abstracto inventado), definimos sentido de: "aquél que cumple la relación. Donde q viene afectado de
su signo".
FUENTES DEL CAMPO MAGNÉTICO
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de conducción, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria. La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampere.
CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UNA CARGA PUNTUAL
El campo magnético generado por una única carga en movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a partir de la siguiente expresión:
Dónde. Esta última expresión define un campo vectorial solenoides, para distribuciones de cargas en movimiento la expresión es diferente, pero puede probarse que el campo magnético sigue siendo un campo solenoide.
Dónde. Esta última expresión define un campo vectorial solenoides, para distribuciones de cargas en movimiento la expresión es diferente, pero puede probarse que el campo magnético sigue siendo un campo solenoide.
PROPIEDADES DEL CAMPO MAGNÉTICO
La inexistencia de cargas magnéticas lleva a que el campo magnético es un campo solenoide lo que lleva a que localmente puede ser derivado de un potencial vector , es decir:
A su vez este potencial vector puede ser relacionado con el vector densidad de corriente mediante la relación:
INEXISTENCIA DE CARGAS MAGNÉTICAS AISLADAS
número neto de líneas de campo que entran en una superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la misma superficie.
Un claro ejemplo de esta propiedad viene representado por las líneas de campo de un imán, donde se puede ver que el mismo número de líneas de campo que salen del polo norte vuelve a entrar por el polo sur, desde donde vuelven por el interior del imán hasta el norte. Como se puede ver en el dibujo, independientemente de que la carga en movimiento sea positiva o negativa, en el punto A nunca aparece campo magnético; sin embargo, en los puntos B y C el campo magnético invierte su sentido dependiendo de si la carga es positiva o negativa. El sentido del campo magnético viene dado por la regla de la mano derecha, siendo las pautas a seguir las siguientes:
En primer lugar se imagina un vector qv, en la misma dirección de la trayectoria de la carga en movimiento. El sentido de este vector depende del signo de la carga, esto es, si la carga es positiva y se mueve hacia la derecha, el vector +qv estará orientado hacia la derecha. No obstante, si la carga es negativa y se mueve hacia la derecha, el vector es -qv va hacia la izquierda.
Un claro ejemplo de esta propiedad viene representado por las líneas de campo de un imán, donde se puede ver que el mismo número de líneas de campo que salen del polo norte vuelve a entrar por el polo sur, desde donde vuelven por el interior del imán hasta el norte. Como se puede ver en el dibujo, independientemente de que la carga en movimiento sea positiva o negativa, en el punto A nunca aparece campo magnético; sin embargo, en los puntos B y C el campo magnético invierte su sentido dependiendo de si la carga es positiva o negativa. El sentido del campo magnético viene dado por la regla de la mano derecha, siendo las pautas a seguir las siguientes:
En primer lugar se imagina un vector qv, en la misma dirección de la trayectoria de la carga en movimiento. El sentido de este vector depende del signo de la carga, esto es, si la carga es positiva y se mueve hacia la derecha, el vector +qv estará orientado hacia la derecha. No obstante, si la carga es negativa y se mueve hacia la derecha, el vector es -qv va hacia la izquierda.
Aplicaciones de los experimentos
Los experimentos realizados se basan en la propiedad magnética de repulsión de polos iguales y atracción de polos opuestos, esto lo hemos conseguido tanto por imanes permanentes como por el paso de una corriente eléctrica a través de una bobina.
Una aplicación real de este experimento son los trenes Maglev.
Una aplicación real de este experimento son los trenes Maglev.
Trenes maglev:
La propulsión de los trenes a cambiado mucho a lo largo de su historia, desde la combustión de madera o carbón, hasta los impulsados por maquinas de ciclo diesel, los cuales debido a su rendimiento son los mas usados actualmente. Sin embargo cada vez mas se esta empezando a implantar un nuevo sistema de propulsión conocido como MagLev.
Este sistema supone una revolución para el transporte terrestre de alta velocidad ya que es capaz de alcanzar velocidades superiores a los 480 km/h, mientras que los trenes convencionales marcan su velocidad máxima en 370 km/h. Esto se debe a que los trenes Maglev no pierden energía por la fuerza de rozamiento que en los trenes convencionales se produce entre los raíles y las ruedas. Esto es posible gracias a que este tipo de trenes flota sobre un campo magnético a unos 10 cm de los raíles.
Dentro de este tipo de propulsión podemos diferenciar dos diseños diferentes:
Este sistema supone una revolución para el transporte terrestre de alta velocidad ya que es capaz de alcanzar velocidades superiores a los 480 km/h, mientras que los trenes convencionales marcan su velocidad máxima en 370 km/h. Esto se debe a que los trenes Maglev no pierden energía por la fuerza de rozamiento que en los trenes convencionales se produce entre los raíles y las ruedas. Esto es posible gracias a que este tipo de trenes flota sobre un campo magnético a unos 10 cm de los raíles.
Dentro de este tipo de propulsión podemos diferenciar dos diseños diferentes:
Este diseño incorpora electroimanes convencionales en todo el sistema y lo que lo hace levitar por atracción de campos electromagnéticos, es decir el efecto contrario al que hemos conseguido nosotros con la bobina, para conseguir el mismo efecto que el diseño alemán tendríamos que sujetar la placa de aluminio a una cierta altura de la bobina (no necesitaríamos cambiar la corriente ya que ahora necesitamos la fuerza atractiva generada). Los electroimanes se instalan en unas estructuras acopladas en la base de los coches que rodean el rail, que tiene forma de T. Cuando se activan, el tren es atraído por los electroimanes instalados a lo largo del rail. La propulsión se produce por otro sistema de electroimanes instalados en el rail y en la base del tren.
*Diseño japonés:
Este diseño es más parecido al experimento de los imanes permanentes, sin embargo los materiales utilizados para este tipo de trenes no son imanes sino materiales superconductores. Este fenómeno fue descubierto por Kamerlingh Onnes en 1911 y tiene la particularidad de que este tipo de materiales al estar a temperaturas muy bajas provocan el efecto Meissner.
El efecto Meissner, se basa en la desaparición del flujo del campo magnético en el interior del material superconductor cuando esta por debajo de su temperatura crítica.
Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. El efecto Meissner es una de las propiedades que forman parte de la superconductividad y su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de la superconductividad es la transición de fase a otro estado diferente. Esto provoca efectos como el de la levitación de imanes superconductores.
El diseño japonés incorpora ocho imanes superconductores en cada coche, mientras que en el fondo del rail se encuentran miles de bobinas metálicas en forma de U.
El efecto Meissner, se basa en la desaparición del flujo del campo magnético en el interior del material superconductor cuando esta por debajo de su temperatura crítica.
Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. El efecto Meissner es una de las propiedades que forman parte de la superconductividad y su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de la superconductividad es la transición de fase a otro estado diferente. Esto provoca efectos como el de la levitación de imanes superconductores.
El diseño japonés incorpora ocho imanes superconductores en cada coche, mientras que en el fondo del rail se encuentran miles de bobinas metálicas en forma de U.
El tren se mueve sobre sus ruedas al arrancar y al pararse. A medida que va adquiriendo velocidad, los imanes superconductores del coche inducen corrientes eléctricas en las bobinas de los raíles. Estas corrientes inducidas hacen que las bobinas generen un campo magnético. Los campos generados por los electroimanes del tren y el del rail se repelen entre si, haciendo que el tren levite sobre el rail.
En las paredes del rail en forma de U se instalan dos hileras de electroimanes. Estos electroimanes cambian su polaridad repetidamente, atrayendo y repeliendo los electroimanes superconductores del tren, que de esta forma consigue impulsarse hacia delante.
Los imanes japoneses son capaces de proporcionar potentes campos magnéticos con un consumo de electricidad mínimo, sin embargo este coste que el modelo alemán necesita en electricidad es similar al que necesita el modelo japonés para equipos de refrigeración criogénicos. Este es el principal problema de la superconductividad el cual actualmente se esta intentando solventar con nuevos materiales cerámicos que tan solo necesitan una refrigeración por nitrógeno liquido.
En las paredes del rail en forma de U se instalan dos hileras de electroimanes. Estos electroimanes cambian su polaridad repetidamente, atrayendo y repeliendo los electroimanes superconductores del tren, que de esta forma consigue impulsarse hacia delante.
Los imanes japoneses son capaces de proporcionar potentes campos magnéticos con un consumo de electricidad mínimo, sin embargo este coste que el modelo alemán necesita en electricidad es similar al que necesita el modelo japonés para equipos de refrigeración criogénicos. Este es el principal problema de la superconductividad el cual actualmente se esta intentando solventar con nuevos materiales cerámicos que tan solo necesitan una refrigeración por nitrógeno liquido.
Otras aplicaciones de los experimentos:
Otra aplicación que se nos ha ocurrido para los experimentos de levitación magnética es el uso de estos imanes o electroimanes como amortiguadores de pequeñas vibraciones en maquinas o como suspensión de maquinas pequeñas.
Principales aplicaciones del electromagnetismo
Otras aplicaciones importantes del electromagnetismo son las siguientes:
Principales aplicaciones del electromagnetismo
Otras aplicaciones importantes del electromagnetismo son las siguientes:
Microondas:
En 1946, fue el doctor estadounidense Percy Spencer el que se percató que el efecto de las microondas podía cocinar los alimentos sin que el calor fuera perceptible a su alrededor
El funcionamiento de un microondas se basa en que la mayoría de los alimentos contienen moléculas de agua, las cuales tienen la característica de un dipolo eléctrico, es decir, poseen un extremo con carga positiva y un extremo con carga negativa.
El campo electromagnético generado en el microondas mueve las moléculas de agua haciendo que se orienten en una dirección. Tras orientar en una dirección todas las moléculas de agua, el campo magnético se invierte, lo que hace que todas las moléculas de agua roten; Esto ocurre gracias a que la frecuencia de resonancia de estas, es la misma frecuencia que tienen las microondas. Estas variaciones en la orientación del campo electromagnético suceden lo suficientemente rápido como para producir calor debido a la agitación molecular. De esta forma el alimento se calienta por la excitación de las moléculas de agua, que se están moviendo, girando sobre sí mismas, a gran velocidad
.
RSN:
La resonancia magnética es la aplicación medica de las maquinas MIR (Magnetic resonante Imaging), para la captación de imágenes del interior del cuerpo humano, esto es posible gracias a la aplicación de un campo magnético muy intenso generado por una bobina electromagnética. Cuando el cuerpo humano se expone a este campo magnético las moléculas de agua y los tejidos se orientan siguiendo la dirección del campo. En este momento se aplica un pulso de radioondas con la frecuencia de resonancia apropiada, haciendo que los átomos pasen a estado excitados. Cuando el pulso decae, los átomos vuelven a su estado anterior liberándose energía, la cual es detectada y empleada para generar una imagen. Aplicando campos magnéticos de distintas intensidades se pueden obtener distintas secciones anatómicas del cuerpo.
Este sistema ha sido también utilizado para hacer medidas no invasivas del flujo sanguíneo en la red de venas y arterias de la cabeza, por lo que tiene multitud de aplicaciones en el diagnostico y tratamiento de accidentes cerebro vasculares.
Esta técnica de resonancia se llama angiografía de proyección. Cuanto más rápido es el flujo de sangre a través de un vaso capilar, mas brillante aparece en la pantalla. Si un vaso sanguíneo no aparece tan brillante como debería, el flujo de sangre es anormalmente lento, lo que podría indicar la presencia de un obstáculo que esta obstruyendo el paso de sangre, como ocurre en la arteriosclerosis. El empleo de esta técnica en la detección y tratamiento de estas enfermedades se convierte ya casi en indispensable en muchos hospitales.
Altavoz y micrófono:
El altavoz es un transductor electrostático que transforma señales eléctricas en ondas de presión, y densidad sonora.
Esta compuesto por:
El sistema de excitación, constituido por un imán permanente que posee un fuerte campo magnético; dentro de ese campo esta situada una bobina móvil que esta unida al cuello del diafragma.
El sistema acústico tiene por finalidad impartir un movimiento al aire que lo rodea. La señal eléctrica hace que se desplace la bobina y esta mueve el cono.
Los altavoces más usuales son los electromagnéticos. Todos los altavoces electromagnéticos tienen el mismo principio de funcionamiento: Se parte de la existencia de un campo magnético permanente creado por un imán fijo, el cual tiene su polo sur enfrentado a una bobina de un conductor eléctrico que tiene la capacidad de moverse en la dirección longitudinal.
De esta forma cuando la corriente del amplificador (representación eléctrica del sonido) atraviesa la bobina produce un campo magnético variable que reacciona ante el campo permanente creado por el imán fijo.
La transformación de la señal eléctrica en una acústica se produce de forma que si la corriente que entra es positiva, la bobina adquiere polaridad sur y va a ser repelida por el imán fijo, en cambio si la corriente que entra en la bobina, es negativa, la bobina adquiere polaridad norte y será atraída por el imán fijo.
Como resultado de esto un pulso positivo hace que el cono se desplace hacia fuera y uno negativo hacia dentro. Cuando el diafragma se desplaza, al ser propulsado por el imán fijo, produce cambios de presión de aire que percibimos como sonido.
En el micrófono ocurre el proceso inverso. Las ondas sonoras hacen que el diafragma de del micrófono vibre. Un electrodo móvil situado a continuación del diafragma hace presión sobre una gran cantidad de finos gránulos de carbón. El electrodo ejerce distintas presiones sobre los gránulos de carbón, y con mayores presiones el electrodo presiona más fuertemente los gránulos, permitiendo que circule mayor corriente.
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