Objetivo:
Es demostrar la existencia del campo eléctrico, las
características de los imanes, los diferentes materiales magnéticos, que
materiales eran atraídos por el imán o
cuales se podían imantar, lo que ocurría con la limadura y las líneas de
fuerza.
Marco teórico:
Magnetismo, uno de los aspectos
del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la
naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de
partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha
relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas
se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética).
La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o
repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin
embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del
magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes
para comprender la estructura atómica de la materia.
El fenómeno del magnetismo se conoce
desde tiempos antiguos. La piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que
tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los
griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo
de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de
hierro. Los imanes así producidos están ‘polarizados’, es decir, cada uno de
ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales
se repelen, y los polos opuestos se atraen.
La brújula se empezó a utilizar en
Occidente como instrumento de navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo
XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones
sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta
que el físico y médico británico William Gilbert publicó su libro, De
magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la
electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un
imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios
conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época.
Posteriormente, en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza
que utilizó para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la
atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta
el cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb,
que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó posteriormente
la observación de Michell con una gran precisión.
A finales del siglo XVIII y
principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la
electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted
llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética
podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que
mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado
por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre
cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés
Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca
de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico
Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de
un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al
hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un
campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo
magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las
teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James
Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e
identificó la luz como un fenómeno electromagnético.
Los estudios posteriores sobre el magnetismo
se centraron cada vez más en la comprensión del origen atómico y molecular de
las propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul
Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las
propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas (ver más adelante),
basada en la estructura atómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros
ejemplos de la descripción de propiedades macroscópicas a partir de las
propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de
Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la
existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el
hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió para
explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la
piedra imán.
Después de que Weiss presentara su
teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más
detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica,
por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el
magnetismo aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los
lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos
estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron
en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños imanes con
un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto es una
magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la intensidad y
orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg
dio una explicación detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en
la recientemente desarrollada mecánica cuántica (véase Teoría cuántica).
Más tarde, otros científicos predijeron muchas estructuras atómicas del momento
magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
Una barra imantada o un cable que
transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos
físicamente porque los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los
campos magnéticos suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o
‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético
es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es
inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra
imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al
otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una
parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde
las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en
los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo
magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos
tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura
de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere
un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de
hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético.
Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se
orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la
brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo
magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se
agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de
un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las
líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los
materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En
términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un
campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la
velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre
es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias
curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de
partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los
espectrógrafos de masas.
Una de las clasificaciones de los
materiales magnéticos —que los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y
ferromagnéticos— se basa en la reacción del material ante un campo magnético.
Cuando se coloca un material diamagnético en un campo magnético, se induce en
él un momento magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe
que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos
y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos
opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que
presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas
orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica que permite que
las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.
El comportamiento paramagnético se produce
cuando el campo magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya
existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el material.
Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los
materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos
con electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele
caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento
magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al
ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos
magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.
Las sustancias ferromagnéticas son las que,
como el hierro, mantienen un momento magnético incluso cuando el campo
magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción
entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la
sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En
circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos en
regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos
están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan
necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no
tener un momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo
en un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La
energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado
magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la
respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’.
Un material ferromagnético acaba perdiendo
sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por
encima de una temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en
honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El
punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).
Materiales:
Ø
Limadura de hierro
Ø
Cartulina
Ø
Imán
Ø
Aerosol
Ø
Hilo
Ø
Clips
Ø
Alfileres
Ø
Abuja
Ø
Brújula
Procedimiento
Ø
Primer paso: imán debajo de la
cartulina y sobre de la cartulina la limadura de hierro.
La limadura solo se imanta en los extremos internos y externos del
imán.
La limadura de hierro presento una oposición al mover el imán, esta
cambiaba la dirección a la que se movía el imán.
Ø
Segundo paso: se levanto la cartulina
con el mismo procedimiento anterior solo que esta vez en el aire.
La limadura solo presentaba imantación al acercar el imán.
Presentaba el mismo comportamiento anterior.
Ø
Tercer paso: se amarro un clip con el
hilo.
El clip presentaba una atracción hacia el imán, cuando el imán se
acercaba el clip se movía hacia el y había ocasiones en las que presentaba una
repulsión.
Ø
Cuarto paso: se coloco el imán a la
orilla de la mesa y se le acerco el clip amarrado con el hilo.
El clip parecía volar, pero se atraía hacia el imán, también
presentaba en algunas ocasiones repulsión por la intensidad del campo
eléctrico.
Ø
Quinto paso: colocar el imán sobre la
mesa y espolvorear la limadura de hierro
sobre la cartulina, después a cuarenta centímetros de distancia utilizar la
pintura.
El spray a rosearlo hizo que parte de limadura se quedara pegada y ya
no se pudiera imantar.
