Electricidad y magnetismo

En un experimento de laboratorio se regaron limaduras de hierro sobre una cartulina colocada encima de un imán, y se observó que estas limaduras se distribuyeron del modo que se indica en la figura. Analiza y responde:

a) ¿Qué indica el hecho que en los extremos del imán, llamados polos, las limaduras están más agrupadas que en otras partes del imán?

b) ¿Qué nos indican las líneas formadas por las partículas de hierro en la cartulina?

c) ¿Cómo varía la acción magnética sobre las limaduras a medida que estas están más alejadas del imán?

Análisis:

Los imanes son cuerpos que tienen la propiedad de atraer fuertemente a otros objetos hechos de hierro o acero, entre otras sustancias. La fuerza que le ejerce el imán a estos cuerpos son fuerzas magnéticas, o las que se ejercen dos imanes cuando interactúan, y la región alrededor del imán existe su campo magnético. Es el campo magnético el que transmite las interacciones magnéticas.

Respuestas:

a) La acción magnética del imán es más intensa en los polos o extremos de este que en otras partes, por esta causa es que las limaduras se agrupan en mayor cantidad en los polos y en las cercanías de estos.

b) Las líneas formadas por las partículas de hierro dan una idea o representación del campo magnético del imán y muestran su dirección en diferentes puntos del espacio.

c) A medida que las limaduras están más alejadas del imán, la acción magnética del imán sobre ellas es menor.

Analiza la figura e identifica los polos de cada una de las agujas magnéticas que están interactuando con los imanes. En los casos a y d el polo de las agujas cercano al imán está apuntando a estos y en los casos b y c las agujas giran cuando se le acerca el imán.

La figura representa una reproducción de los experimentos de Oersted realizados en 1820. Inicialmente, se observa que la aguja magnética está situada paralelamente al conductor que se encuentra conectado a una pila o batería, alineada con el campo magnético terrestre . Al cerrar el interruptor, y circular corriente eléctrica por el conductor,

a) ¿qué cambio se observará en la aguja magnética?,

b) ¿qué explicación tiene este resultado experimental?,

c) ¿qué ocurre si se abre el interruptor o se corta el conductor con una pinza en cualquier parte del circuito?

Análisis:

La aguja magnética se orienta en el campo magnético de los imanes, igualmente la aguja magnética de las brújulas se orienta en el campo magnético terrestre.

Respuestas:

a) Cuando se cierra el interruptor, la aguja magnética pierde su orientación inicial y gira hasta ubicarse perpendicularmente al conductor.

b) La aguja magnética inicialmente está orientada en el campo magnético terrestre, al cerrar el interruptor, circulará corriente eléctrica por este y existirá alrededor del conductor un campo magnético asociado a la corriente eléctrica. Es este campo magnético el responsable de la reorientación de la aguja magnética, la que gira hasta situarse perpendicularmente al conductor.

c) Si el interruptor se abre o se corta el conductor con una pinza, dejará de circular la corriente eléctrica por el circuito y la aguja magnética girará para orientarse nuevamente en el campo magnético terrestre, es decir, recupera la posición inicial que aparece en la figura.

La figura representa la forma que adoptan las limaduras de hierro cuando se esparcen sobre una cartulina, que es atravesada por un conductor rectilíneo por el que circula corriente eléctrica.

a) ¿Qué forma tienen las líneas que caracterizan a este campo magnético?

b) ¿Cómo varía la intensidad de las acciones magnéticas sobre las limaduras:

- a medida que las limaduras se alejan del conductor;

- aumenta la intensidad de la corriente eléctrica que circula por el conductor?

Observa detenidamente la forma que adoptan las limaduras de hierro en el interior del solenoide, cuando por este pasa corriente eléctrica.

a) ¿Qué semejanza tiene el campo magnético de la corriente que circula por un solenoide con el campo magnético de un imán?

b) ¿Qué características tiene el campo magnético de la corriente que circula por el solenoide en su centro, de acuerdo a la disposición de las limaduras de hierro en esta parte del campo?

Analiza la tabla de valores de campos magnéticos y responde:

a) En el caso de un conductor recto y largo por el que circula corriente eléctrica, ¿qué variación experimenta el campo magnético en un punto con relación a la distancia al conductor?

b) Aproximadamente ¿qué relación hay entre el valor del campo magnético en la superficie de Júpiter con respecto al valor de este en la superficie de la Tierra?

c) ¿Qué astro, de los que aparecen en la tabla, tiene el mayor campo magnético?

Análisis:

En la tabla aparecen a la izquierda los cuerpos o instalaciones y en la columna de la derecha el valor del campo magnético expresado en tesla (T) o en unidades múltiplos y submúltiplos de esta.

Tener en cuenta que:

$\begin{array}{c}1\mathrm{\mu }T(\mathit{microtestla})=\mathrm{0,}000001T\\ 1\mathit{mT}(\mathit{militesla})=\mathrm{0,}001T\\ 1\mathit{MT}(\mathit{megatesla})=1000000T\end{array}$

Respuestas:

a) Por el análisis de la tabla se observa que a 1 cm de un conductor recto y largo por el que pasa una intensidad de corriente de 1 ampere (1 A) el campo magnético tiene un valor de 20 microtesla y a 10 cm tiene un valor de 2 microtesla. Se puede inferir que el valor del campo magnético en un conductor recto y largo disminuye al aumentar la distancia al conductor.

b) Del análisis de la tabla se observa que el campo magnético en la superficie de la Tierra tiene un valor entre 30-60 microtesla y en la superficie de Júpiter es de 400 microtesla.

$\begin{array}{c}\frac{400\mathit{microtesla}}{30\mathit{microtesla}}\approx \mathrm{13,33}\\ \frac{400\mathit{microtesla}}{60\mathit{microtesla}}\approx \mathrm{6,66}\end{array}$

El campo magnético en la superficie de Júpiter es alrededor de 6,6 - 13,3 veces el campo magnético en la superficie de la Tierra.

c) El mayor campo magnético, de los valores que aparecen en la tabla, pertenece a la superficie de una estrella neutrónica que tiene un valor de 100 MT. Este valor es equivalente a 100 millones de tesla.

Como:

$1\mathit{MT}=1000000T$

$\begin{array}{c}100\mathit{MT}=100·1000000T\\ 100\mathit{MT}=100000000T\end{array}$

Los cuerpos magnetizados se desmagnetizan al calentarlos hasta elevadas temperaturas. Explica por qué.

Al acercar un imán recto a una bobina se observa que el galvanómetro detecta una corriente eléctrica.

a) ¿Qué nombre recibe este fenómeno?

b) ¿Qué nombre recibe la corriente detectada por el galvanómetro?

c) ¿Cuál es la causa de la aparición de la corriente eléctrica en la bobina?

d) ¿Qué tipo de transformación de energía tiene lugar en este ejemplo?

e) ¿Cómo moverías el imán para que la corriente eléctrica en la bobina sea de mayor valor?

Para realizar un experimento de clase, en el laboratorio de Física de la escuela se dispone de un imán en forma de herradura, un cable conductor y un galvanómetro para indicar el paso de la corriente eléctrica.

a) Diseña y describe el experimento que realizarías con estos materiales, para demostrar el fenómeno de inducción electromagnética en el conductor.

b) ¿Qué puedes hacer para lograr una corriente inducida de mayor valor en el conductor? Argumenta tu respuesta.

La figura muestra parte de la red de distribución del alumbrado público en las ciudades. Analiza los valores de tensión o voltaje eléctrico en diferentes partes de la red.

¿Qué tipo de transformadores se utilizan:

a) a la salida entre la central generadora y la red de transporte de la energía eléctrica?

b) entre las estaciones de distribución y los clientes industriales y residenciales?

c) En cada caso analiza las conexiones de las bobinas del transformador en estas partes de la red.

Análisis:

Los transformadores constituyen una de las más importantes aplicaciones de la ley de inducción magnética de Faraday. Constan de dos bobinas o enrollados de diferente número de espiras. Funcionan con corriente alterna y la corriente eléctrica variable que circula por el primario origina un campo magnético también variable que induce en el enrollado del secundario. Al cambiar con el tiempo el campo magnético que atraviesa el enrollado del secundario, induce en este una corriente eléctrica también variable.

Respuestas:

a) Entre la central generadora y la red de transporte de la energía eléctrica se utilizan transformadores elevadores que realizan la función de elevar el voltaje para que existan menos pérdidas de energía al transportarla de un lugar a otro. Son las llamadas líneas de alta tensión.

b) Entre las estaciones de distribución y los clientes industriales y residenciales se instalan transformadores reductores que realizan precisamente la función de bajar el voltaje que lelga a los clientes desde las estaciones de distribución, los que utilizan voltajes entre 125 V y 220 V para el caso de los clientes residenciales.

c) En los transformadores que se colocan entre la central generadora y la red de transporte la bobina primaria se conecta directamente a la salida de las centrales generadoras y la bobina del secundario se conecta a la red de transporte.

Los transformadores que se colocan antes de llegar a los clientes tienen la bobina del primario conectada a la estación de distribución y la bobina del secundario conectada al circuito de los clientes.