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UN
POCO DE HISTORIA |
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En la Grecia antigua se descubrió un mineral con
propiedades sorprendentes, las piedras de este mineral se atraían entre
sí, y atraían a algunos metales como el hierro. Como se descubrió en
las proximidades de la ciudad de Magnesia de Tesalia, en Grecia, recibió el nombre de
magnetita, de fórmula
Fe3O4. Y la propiedad que tenía para atraer a los
metales del tipo del hierro se denominó magnetismo. Estos materiales
con estas propiedades magnéticas también los conocemos como imanes.
Hay imanes naturales como la magnetita e imanes artificiales como los
que encontramos en cualquier ferretería.
Probablemente jugaste alguna vez ya con un imán. Son frecuentes en
juguetes. Los sastres siempre tenían uno a mano para recoger los
alfileres que se le caían. Pero quizá la brújula sea el objeto más
ligado al imán que se conoce. En realidad es sólo una aguja imantada
que gira libremente sobre su eje. Facilitó enormemente la navegación,
y aún hoy es imprescindible para los marinos y exploradores.
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EL
IMÁN. POLOS MAGNÉTICOS |
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Los imanes son objetos con propiedades magnéticas.
Pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales.
Los imanes se caracterizan por atraer a diversos metales como el hierro,
o sus aleaciones con níquel, cobalto, volframio y otros metales.
Los imanes siempre presentan dos polos. Cuando ponemos en contacto dos
imanes observamos que siempre se atraen por las mismas partes. En un imán
podemos distinguir dos polos que son esas partes que se ponen en
contacto cuando se atraen. Uno de los polos se llamará norte y otro de
los polos se llamará sur. Siempre que dos imanes se atraen lo hace el
polo norte de uno con el polo sur del otro. Si forzamos a que dos polos
iguales se unan notamos como se repelen intentando separarse.
¿Cómo saber si un polo es el norte o el sur? Lo podemos averiguar de
dos formas. Por ejemplo, si colocamos el imán sobre un corcho, y este
sobre agua, observamos que el imán se mueve hasta orientarse con el
magnetismo terrestre. El extremo que apunta al norte geográfico es el
polo norte del imán, y el extremo que apunta al sur geográfico es el
polo sur del imán. Como ves estamos utilizando nuestro imán como
brújula. Otra forma de conocer los polos es acercando una brújula al imán,
el polo norte de la brújula nos indicará donde está el polo sur del
imán, y el polo sur de la brújula nos indicará el polo norte del imán.
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Buscando los polos de un imán |
Podemos pensar que si partimos un imán por la parte intermedia de los
polos se obtendrían dos imanes con un solo polo, pero esto no es
posible, siempre que se parte un imán se obtienen dos imanes con dos
polos, norte y sur. ¿Cómo podemos fabricar un imán? Un
imán no solo puede atraer a un trozo de acero, sino que si está en
contacto con él lo puede convertir en otro imán. Para conseguirlo
frotaremos por ejemplo una aguja de acero con un imán, lo haremos
siempre en el mismo sentido. Podemos comprobar que la aguja se ha
convertido en un imán acercándole una brújula.
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LA
BRÚJULA, MAGNETISMO TERRESTRE |
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William Gilbert (1544-1603) fue médico inglés y uno de
los primeros estudiosos del magnetismo.
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| William Gilbert (1544-1603) |
Descubrió que la Tierra es un imán gigante. También
descubrió que un imán puede perder sus propiedades magnéticas
calentándolo, así como que un imán puede aumentar su magnetismo
rozándolo con otro imán, lo que se conoce como imantación por
influencia.
El magnetismo de la
Tierra se debe al núcleo de hierro y níquel que hay en su interior. Este imán
terrestre permite que nos orientemos en la Tierra gracias a los imanes.
Para ello los imanes se deben de poder mover libremente. La brújula es
simplemente una aguja imantada que se puede mover libremente. El polo
norte de la brújula se orienta hacia el polo norte geográfico. Pero
entonces ¿qué polo magnético hay en el norte geográfico? Tiene que
ser el polo sur magnético.
El magnetismo de la
Tierra nos protege de la radiación solar y de los rayos cósmicos como
si de un escudo protector de tratase. El maravilloso fenómeno de la
auroras boreales se produce al desviar el campo magnético terrestre las
partículas cargadas que emite el viento solar hacia los polos.
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¿Por qué se forman las auroras boreales? |
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¿Auroras boreales en Galicia? |
Con la aguja que
imantamos antes podemos construir una brújula colocándola en un
soporte flotante , y este sobre agua, para facilitar su movimiento.
Observaremos que siempre nos indica el norte.
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Fabricación de una brújula |
Los imanes crean una zona que los rodea donde se pueden
poner de manifiesto interacciones magnéticas, esta zona se conoce como
campo magnético. Las interacciones magnéticas son más intensas en los
polos que en el resto del imán. El campo magnético lo podemos
visualizar acercando limaduras de hierro al imán y observaremos que
éstas se orientan formando líneas que están más juntas en las
proximidades de los polos.
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Limaduras de hierro en un campo magnético |
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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EL
EXPERIMENTO DE OERSTED |
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Los fenómenos magnéticos tienen ciertas similitudes
con los fenómenos eléctricos. Por ejemplo las cargas de distinto signo
se atraen, como lo hacen los polos norte y sur de dos imanes, y las
cargas iguales se repelen como lo hacen los polos iguales de dos imanes.
También se comprobó que la fuerza entre dos polos decrece con el
cuadrado de la distancia, como lo hace la fuerza eléctrica. Parece que
deben tener alguna relación, pero hay una diferencia importante entre
las fuerzas eléctricas y magnéticas, ya que es posible aislar las
cargas positivas y negativas, pero no podemos aislar los polos de un
imán, siempre aparecen a pares, si partimos un imán siempre obtenemos
dos imanes con sus dos polos norte y sur. La
relación entre fenómenos eléctricos y magnéticos se inicia con un
experimento realizado por el danés Hans Christian Oersted (1777-1851)
en 1820.
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Hans Christian Oersted (1777-1851) |
Observó que si se acercaba una aguja imantada a un conductor
por el que pasa una corriente la aguja se desviaba de su posición de
equilibrio. También observó que al invertir el sentido de la corriente
también se invertía la desviación de la aguja.
Si la aguja imantada se orienta en función de que pase
o no corriente significa que la corriente eléctrica debe crear un campo
magnético que interacciona con la aguja. Quedaba demostrada la
relación entre la interacción magnética y la corriente eléctrica.
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EL
ELECTROIMÁN |
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Si disponemos un conductor eléctrico en forma circular,
lo que se conoce como una espira, y hacemos pasar una corriente por el
obtenemos una interacción magnética semejante a la de un imán, con un
polo norte en un lado de la espira y un polo sur en el contrario. Si
enrollamos un conductor sobre un tubo, no tendremos una espira sino
muchas, al hacer pasar una corriente por el conductor el campo magnético
que se crea en su interior se multiplica por el número de espiras. Si
colocamos un núcleo de hierro en el interior del tubo creamos lo que se
llama un electroimán. El imán que se crea es temporal, depende de que
circule o no corriente por el circuito.
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Fabricando un electroimán |
Los electroimanes tienen aplicación en muchos aparatos
y máquinas como: motores eléctricos, dinamos, alternadores, grúas,
timbres, frenos electromagnéticos, etc.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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EL
EXPERIMENTO DE AMPÈRE |
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Si en el experimento de Oersted vimos que una
corriente interaccionaba con un imán es porque la corriente eléctrica
crea un campo magnético. Esto hizo pensar a André-Marie Ampère (1775-1836)
que dos hilos conductores por los que pasara corriente también debían
de interaccionar. Y en efecto lo hacen.
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André-Marie Ampère (1775-1836) |
Ampère entendía que los fenómenos magnéticos se
debían a interacciones entre corrientes eléctricas, es decir, el magnetismo
se debe a la electricidad en movimiento. Creía que las
propiedades magnéticas de las sustancias eran debidas a corrientes que
circulaban por su interior a nivel molecular. Estas teorías no fueron
reconocidas en su tiempo y tardarían en ser aceptadas.
Las corrientes moleculares sabemos hoy que se deben
al movimiento de los electrones alrededor del núcleo atómico. Los
átomos tienen, por tanto, minúsculos imanes elementales que se
denominan dipolos magnéticos.
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EL
EXPERIMENTO DE FARADAY |
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Si la corriente eléctrica que circula por un conductor
creaba un campo magnético, podemos entonces pensar que un campo
magnético podría crear una corriente eléctrica. Esto mismo fue
descubierto por Michael Faraday (1791-1867) en 1831.
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Michael Faraday (1791-1867) |
Comprobó que al mover un imán dentro de una espira se
creaba una corriente dentro de la misma. La corriente que se produce en
el circuito se llama corriente inducida, y el fenómeno por el que se
induce una corriente empleando un imán se conoce como inducción
electromagnética.
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Inducción electromagnética |
Faraday enrolló dos solenoides de alambre alrededor de
un aro de hierro, si hacía pasar corriente por un solenoide otra
corriente se creaba temporalmente en el otro solenoide. Observó que si
se mueve un imán a través de una espira de alambre se crea una
corriente en el alambre. Un campo magnético variable genera un campo
eléctrico. Sus descubrimientos permitieron descubrir la dinamo eléctrica,
precursora de los actuales generadores y motores eléctricos.
Está claro que la interacción eléctrica y magnética
están íntimamente relacionadas, son las caras de una misma moneda, en
realidad se explican actualmente por una misma interacción electromagnética.
Esta unificación se la debemos al escocés James Clerk Maxwell
(1831-1879).
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James Clerk Maxwell (1831-1879) |
Su teoría del electromagnetismo propuesta en 1873, es
sin duda la obra más importante de la física del siglo XIX. También a
él le debemos la comprensión de la luz como una onda electromagnética,
y la primera fotografía en color.
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Las ecuaciones de Maxwell |
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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LAS
FUERZAS DE LA NATURALEZA |
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Toda la física la podemos explicar a partir de cuatro interacciones
o fuerzas fundamentales.
¿Cuáles son estas?
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Fuerza gravitatoria
-
Fuerza electromagnética
-
Fuerza nuclear fuerte
-
Fuerza nuclear débil
El curso pasado ya estudiamos algo de la fuerza
gravitatoria, y este curso de la fuerza electromagnética. Las demás
las estudiarás en cursos posteriores de física. Estas fuerzas son muy
diferentes. Las dos primeras tienen efectos que observamos
frecuentemente a nivel macroscópico, pero las fuerzas nucleares sólo
se observan a las pequeñas distancias del núcleo atómico.
La fuerza gravitatoria es la más débil, es debida a la masa de los
cuerpos y en presencia de grandes masas es muy apreciable, es la
responsable del peso de los cuerpos y de mantener la estructura del
Universo. En el mundo microscópico de las moléculas y átomos es tan
débil que podemos prescindir de ella. La fuerza electromagnética
es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, pero no siempre
observamos sus efectos, debido a que están producidas por cargas
positivas y negativas, y sus efectos se contrarrestan. Es la responsable
de mantener la estructura de la materia, presentando atracciones y
repulsiones de alcance infinito. Es la responsable del comportamiento de
los electrones en los átomos, y de la formación de las moléculas y
sustancias cristalinas. La fuerza nuclear fuerte, es la
responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos, mantiene unidos
a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es atractiva pero no
tiene un alcance superior a 10-15m. Es la fuerza fundamental
más intensa que existe. La fuerza nuclear débil, es la
responsable de algunos fenómenos radiactivos, es de un alcance muy
pequeño 10-17m, y mucho más débil que la interacción
nuclear fuerte.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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