LABORATORIO DE FISICA III

FIEE-UNMSM

MAGNETISMO

El magnetismo es un fenmeno fsico caracterizado por el hecho de que los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atraccin y repulsin sobre otros objetos. Determinados materiales poseen caractersticas magnticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imn tiene dos polos: el polo norte y el polo sur (dipolo magntico): Ambos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, estn constituidos por materiales ferromagnticos.

MATERIALES MAGNTICOS

Materiales diamagnticos

Plata, cobre, bismuto, agua. stos atenan muy poco el campo, es decir no son magnticos.

Materiales ferromagnticos

Hierro, cobalto, nquel. stos intensifican el campo considerablemente.

Materiales paramagnticos

Platino, aluminio, aire. stos intensifican el campo muy levemente.

CAMPO MAGNTICO DE LA TIERRA

Haciendo una simplificacin, la tierra se puede considerar como un imn de barra, que ejerce una fuerza de atraccin y repulsin sobre otros imanes. Por esta razn, como bien se sabe, la aguja imantada de una brjula se orienta hacia los polos de la tierra, a lo largo de las lneas del campo. Tambin parece que algunos animales, como las palomas, utilizan el campo magntico para orientarse. El polo norte de una brjula indica aproximadamente la direccin del polo norte geogrfico. En este caso, aparentemente, existe una contradiccin con la regla de los polos (polos opuestos => atraccin). En realidad, el imn de barra terrestre se encuentra polarizado inversamente, est contenido en el ncleo lquido exterior de la tierra y tiene una inclinacin de unos 12 con respecto al eje de rotacin de la tierra.

Origen del campo magntico terrestre

El ncleo interno de la tierra es slido y el ncleo externo es lquido. En el ncleo lquido exterior se produce la conveccin (movimiento circular) de la mezcla lquida de hierro nquel y azufre, lo que causa una corriente elctrica de magnitud inimaginable. Esto origina una induccin electromagntica en el ncleo de la tierra, que produce a su vez, un gigantesco campo magntico.

La brjula

Una brjula consta bsicamente de un imn apoyado ptimamente, lo que le permite rotar libremente. Por lo general, la brjula tiene una forma pequea y sus extremos terminan en punta. Por esta razn se habla de la aguja imantada de la brjula. Bajo el efecto del campo magntico de la tierra, la aguja se orienta siguiendo el sentido de las lneas de campo. Es decir, el polo norte de la brjula seala aproximadamente en la direccin del polo norte geogrfico.

Ubicacin geogrfica de los polos

En realidad, el polo magntico sur de la tierra queda cerca del polo geogrfico norte. En el mapa se puede ubicar exactamente el polo magntico a 74 de latitud norte y 100 de longitud este.

El polo magntico norte queda en el plano exactamente a 72 de latitud sur y 155 de longitud este. Se debe tener en cuenta que los polos magnticos se desplazan lentamente. Los valores mencionados se refieren a mediciones de los aos 70.

1.- OBJETIVOS

Determinar las caractersticas del campo magntico de la tierra.

Determinar la componente horizontal del campo magntico terrestre en el laboratorio.

Analizar el comportamiento de una barra magntica en un campo magntico

2. MATERIALES

3.- FUNDAMIENTO TERICO

Es muy conocido que la aguja de una brjula se oriente de sur a norte debido al campo magntico terrestre. La tierra se comporta como un gigantesco imn. La aguja magntica de la brjula se orienta segn las lneas del campo magntico de la Tierra, las cuales no coinciden exactamente con las lneas del meridiano geogrfico.

En ngulo que forma del Meridiano Magntico respecto de la direccin del meridiano geogrfico se llama declinacin magntica (D) y puede estar posicionado a la izquierda (W) o a la derecha (E) del meridiano geogrfico.

Por convencin se estableci que las declinaciones magnticas posicionadas al W (oeste) del meridano geogrfico que pasan por el lugar sern Negativas (D-) y las que estn a la derecha o E (este) sern positivas (D+). Estudios realizados durante muchos aos permitieron establecer que la D (declinacin magntica) mantiene un sentido de crecimiento o aumento de su valor en grados hasta llegar a un valor mximo que mantiene durante un periodo considerable para comenzar a decrecer (disminucin de su valor en grados).

Las lneas de fuerza salen e ingresan al ncleo de la tierra atravesando la corteza terrestre, son tangenciales al meridiano magntico describe un arco que provoca que al ingresar en el polo norte magntico lo hagan en forma vertical a la superficie terrestre. Cuando la inclinacin es horizontal las lneas de fuerza estn ubicadas en el Ecuador Magntico y a medida que se aleja hacia los polos se inclinan hasta llegar a la verticalidad en los polos, saliendo del polo sur e ingresando al polo norte magntico.

La intensidad del campo magntico terrestre B en un punto dado depende de sus polos magnticos y y es tangente a la lnea de fuerza que pasa por dicho punto. Cuando una barra magntica suspendida mediante un hilo muy delgado formando un ngulo con la componente horizontal del campo magntico terrestre, inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magntica, como se muestra. Si el ngulo entonces el movimiento de oscilacin est dado por:

Donde I es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotacin, es el momento magntico de la barra y es la componente horizontal del campo magntico terrestre. Por definicin, el momento magntico de la barra est dado por:

Donde es la carga magntica o tambin llamada masa magntica y L es la distancia entre las masas magnticas. De la primera ecuacin se deduce que:

El momento de inercia de un paraleleppedo rectangular de masa M y de lados a, b, c que gira alrededor de un eje est dado por:

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

Donde, d es la distancia desde el punto medio de la barra a un punto P y m es la masa magntica. En el S.I. .

Si la barra magntica se orienta perpendicularmente al campo magntico terrestre, se encuentra que, en el punto P, el campo magntico total , est en la direccin como en la Figura 3 de la gua. Cuando el ngulo , entonces el campo magntico de la barra es igual a la componente horizontal del campo magntico terrestre, es decir . Cuando esto ocurre la ecuacin anterior de transforma en:

Bt Bh L

m -m

Bp P

N S

d

4.- PROCEDIMIENTOS

4.1.- Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las calibraciones de los equipos.

4.2.- Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magntica M, en kilogramos. Con el Vernier mida las dimensiones a y b de la barra magntica. A partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magntica usando la ecuacin dada anteriormente.

TABLA 1

Masa

M(kg)

Longitud

a(m)

Ancho

b(m)

Momento de inercia

I (kg-m2)

0,019

0,0609

0,0061

593x10-6 Kg/m2

4.3.- Determina la distancia L, entre los polos magnticos del imn. Para ello utilice la brjula. Antes de realizar la medicin desaloje de la mesa de trabajo todo material magntico, como por ejemplo, reloj, anillos, gafas, etc. Coloque la barra magntica en el centro de la mesa y con la ayuda de la brjula trace algunas lneas de fuerza, que se salgan de los polos.

Prolongando las lneas trazadas en la direccin en que ellas parecen converger para encontrar la posicin de los polos magnticos.

4.4.- Determine la direccin del campo magntico terrestre, retirando lo ms lejos posibles la barra magntica y coloque la brjula en el centro de la mesa. Trace la direccin del campo magntico terrestre.

4.5.- Trace una perpendicular a la direccin del campo magntico terrestre y sobre esta recta alinee la barra magntica, tal como se muestra en la Figura 3 de la gua. El punto P es la interseccin de las dos rectas que se han trazado.

4.6.- Coloque la brjula en el punto P. Acercndose o alejando la barra magntica al punto P se consigue que las agujas de la brjula forme un ngulo de . En esa posicin mida la distancia d y registre ese dato en la tabla 2.

4.7.- Suspenda la barra magntica en la horquilla del magnetmetro y alinela en la direccin del campo magntico terrestre. Con la ayuda de otra barra magntica produzca oscilaciones con ngulos de giro no mayores 10, que no tenga vibraciones laterales. Retire todos los cuerpos magnticos una vez que la barra este oscilando.

4.8.- Mida el tiempo que emplea la barra magntica en realizar 10 oscilaciones completas y determine su perdiodo T. Repita esta medicin 5 veces como mnimo y registre estos valores en la tabla 2

TABLA 2

N de mediciones

1

2

3

4

5

N de oscilaciones

10

10

10

10

10

Tiempo: t(s)

68,44

67

68

68

67

Perodo: T(s)

6,844

6,7

6,8

6,8

6,7

T = 6,761

L = 0,054 m

d = 0,103 m

Bh = 3,29x10-5

5.- CUESTIONARIO

5.1.- Utilice la ecuacin que se mostr anteriormente para calcular la magnitud del campo terrestre en el laboratorio.

Con los clculos anteriores tenemos que la magnitud del campo terrestre en el laboratorio es:

5.2.- Qu fuentes de error considera usted que han afectado a los resultados que ha obtenido? Cmo podran superarse estos errores?

El movimiento de la barra colgada (tipo) pndulo no fue ideal, puede no cumplirse que .

El tiempo de medida del perodo del pndulo puede tener ligeros errores.

La presencia de otros instrumentos magnticos que pueden entorpecer el uso de la brjula.

Estos errores pueden superarse tratando de realizar el experimento en un rea aislada, slo con la presencia de los instrumentos de la experiencia.

5.3.- Grafique la lnea de fuerza de la barra magntica, sealando la posicin de los polos magnticos y las distancias L y d.

Bt Bh 0,054m

45

m -m

Bp P

N S

0,103m

5.4.- Cules son las caractersticas del campo magntico terrestre? Cul es el comportamiento de una barra magntica dentro de un campo magntico?

El campo magntico terrestre es uniforme.

La direccin la imantacin interna forma un ngulo de 15 con el eje terrestre.

Ha variado en el curso de las eras geolgicas.

Es un fenmeno natural originado por los movimientos de metales lquidos en el ncleo del planeta.

Cuando una barra magntica es introducida en un campo magntico suspendida con un hilo delgado forma un ngulo con la componente horizontal del campo magntico terrestre e inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magntica que acta sobre la barra magntica.

5.5.- En qu lugar de la Tierra los componentes horizontal y vertical del campo magntico terrestre son mximos? Por qu?

En el Ecuador magntico, el campo magntico terrestre no es horizontal; el ngulo que forma el campo con la horizontal se denomina inclinacin magntica. La magnitud del campo magntico ser mxima en el Ecuador por su latitud.

Para un ngulo a= 90, V es mximo; luego sena = senp/2 = 1, esto se da en los polos.

6. CONCLUSIONES

No se puede determinar la direccin del campo magntico terrestre a travs de labrjula. Por las alteraciones que pueda tener esta ola alteracin de cuerposcargados.2. El plano vertical que contiene a Ht (meridiano magntico) no coincide engeneral con el meridiano geogrfico.

a

15

a