Magnetismo

PREGUNTAS UNIDAD 3

1. Tipos de imantación

• Imantación temporal o permanente: Si las sustancias se frotan con la magnetita, se convierten en imanes artificiales por un determinado tiempo (imanes temporales). En algunos casos conservan durante mucho tiempo su poder magnético (imanes permanentes).
• Imantación inducida: Si las sustancias magnéticas se someten a una corriente eléctrica, también se comportan como imanes mientras dura el paso de la corriente (electroimanes).

2. Propiedades del magnetismo

• Los imanes manifiestan sus propiedades magnéticas sin necesidad de que exista contacto con las sustancias con las que interaccionan. La interacción magnética, por tanto, se manifiesta a distancia.
• Las líneas del campo magnético en un imán pueden ser trazadas con ayuda de limaduras de hierro. En las zonas donde las líneas están más juntas, el efecto del imán es más intenso. Estas zonas se localizan en los extremos del imán y se denominan polos, que convencionalmente se llaman polo norte y polo sur.
• Es fácil comprobar experimentalmente que polos de diferente nombre se atraen y polos de igual nombre se repelen. Si se rompe un imán en dos trozos, cada uno de ellos se comporta como un imán que presenta sus propios polos norte y sur. Es imposible separar los polos de un imán. Este comportamiento sugiere que el magnetismo se debe a la estructura interna de la materia.

3. ¿Qué es un ciclotrón o acelerador de partículas?

Se usa para el control de trayectorias y la aceleración de partículas cargadas, siendo muy importante en las investigaciones de física de altas energías. En él se consigue acelerar partículas en el interior de un campo magnético haciendo coincidir la variación de la diferencia de potencial del ciclotrón con el periodo del movimiento circular descrito por estas.

4. ¿Qué es un espectrógrafo de masas?

Se utiliza un campo magnético para medir las masas de los distintos isótopos de un elemento químico. Los iones de los isótopos tienen todos la misma carga eléctrica pero masas diferentes, por lo que, si se introducen estos iones perpendicularmente en un campo magnético uniforme con velocidades iguales, describirán trayectorias circulares de radio diferente en función de su masa.

5. ¿Qué es un galvanómetro de cuadro móvil? ¿Para qué se usa?

Es un aparato que mide la intensidad de la corriente eléctrica. Es el elemento principal de amperímetros y voltímetros.

Consta de una serie de espiras rectangulares (bobina o solenoide) situadas en un campo magnético. La bobina experimenta un giro proporcional a la intensidad de corriente que circula por ella, debido al par de fuerzas generado. A partir de esta desviación y haciendo uso de una aguja calibrada se puede medir el valor de la intensidad.

6. ¿En qué consistió la experiencia de Oersted?

El experimento de Oersted relacionó dos tipos de fenómenos físicos hasta entonces independientes: los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos.

En él se estudian los efectos de una corriente eléctrica sobre una aguja imantada. Oersted situó una aguja imantada paralela a un conductor rectilíneo y observó que, cuando circulaba por él una corriente eléctrica, ésta giraba hasta quedar perpendicular al conductor. Al cesar la corriente, la aguja volvía a su posición inicial. Así pues, el paso de la corriente eléctrica ejercía sobre la aguja imantada los mismos efectos que un imán.

7. Enuncia la Ley de Ampère e indica para qué se puede usar

La Ley de Ampère dice que la circulación a lo largo de una curva cerrada de un campo magnético es igual al producto de la permeabilidad magnética del medio por la suma de las intensidades netas de corriente que se encuentran encerradas dentro de la curva. Se entiende por intensidades netas la suma algebraica de las corrientes, considerando positivas las que salen y negativas las que entran.

La ley de Ampère permite calcular el campo magnético producido por una distribución de corriente cuando existe cierta simetría (por ejemplo, el campo magnético producido por una corriente rectilínea).

8. ¿Cómo se define el amperio?

Se define el amperio como la intensidad de corriente que, al circular por dos conductores rectilíneos y paralelos separados a la distancia de 1 m en el vacío, produce entre ellos una fuerza de atracción o repulsión de 2·10^-7 N por cada metro de longitud del conductor.

9. Analogías entre el campo eléctrico y el magnético

1. Ambos tienen su origen en las cargas eléctricas.
2. El campo eléctrico y el magnético ejercen fuerzas sobre cargas en movimiento según la expresión de la fuerza de Lorentz: F = q·E + q·(v × B).

10. Diferencias entre el campo eléctrico y el magnético

1. Una carga eléctrica en movimiento produce campo eléctrico y magnético, mientras que una carga en reposo genera solo campo eléctrico.
2. Las líneas de fuerza del campo eléctrico son líneas abiertas: comienzan o terminan en una carga, pero pueden extenderse hasta el infinito. Las líneas de fuerza del campo magnético son líneas cerradas: nacen en un polo magnético y finalizan en otro polo magnético de distinta polaridad.
3. El campo eléctrico es un campo conservativo: el trabajo necesario para mover una carga entre dos puntos del campo no depende de la trayectoria seguida; por ello es posible definir un potencial eléctrico escalar para describir el campo. El campo magnético, en general, es un campo no conservativo y no es posible definir un potencial escalar global para describirlo.
4. El campo eléctrico también ejerce fuerzas sobre cargas en reposo.

11. ¿Cuál es el origen del magnetismo natural?

El origen del magnetismo natural son las corrientes eléctricas y los movimientos electrónicos a escala atómica. Los electrones en los átomos tienen un movimiento orbital alrededor del núcleo y un movimiento de giro sobre sí mismos o espín, y ambos contribuyen al momento magnético.

12–14. Características de las sustancias diamagnéticas, paramagnéticas y ferromagnéticas

Características: (ver imagen ilustrativa)

12. ¿Qué se entiende por temperatura de Curie?

A partir de una cierta temperatura llamada temperatura de Curie, las sustancias ferromagnéticas dejan de ser ferromagnéticas y se comportan como paramagnéticas.

13. Características del magnetismo terrestre

1. La Tierra se comporta como un gigantesco imán con sus polos magnéticos cerca de sus polos geográficos. Sin embargo, el polo norte magnético coincide con el polo sur geográfico y viceversa. Además, el eje magnético de la Tierra se desplaza lentamente hacia el oeste.
2. La intensidad del campo magnético terrestre es extremadamente pequeña. Cerca de los polos se da el valor máximo, de unos 5·10^-5 T, cien veces más débil que el creado por un imán común.

14. ¿Cuál es la causa de la existencia del magnetismo terrestre?

Actualmente se acepta que la causa del magnetismo terrestre es el movimiento lento del núcleo externo de la Tierra, que es parcialmente líquido. En esa región, el movimiento de las cargas eléctricas da lugar a corrientes eléctricas que, a su vez, originan el campo magnético. Aun así, no existe todavía un modelo completamente satisfactorio que explique todos los detalles del magnetismo terrestre.

Inducción electromagnética y generación eléctrica

PREGUNTAS UNIDAD 4

1. ¿Qué se entiende por inducción electromagnética?

Es el proceso mediante el cual campos magnéticos variables generan campos eléctricos. En la inducción electromagnética se dice que la corriente es generada por una fuerza que pone en circulación a los electrones. Dicha fuerza se llama fuerza electromotriz (fem).

2. ¿En qué consistió el experimento de Faraday?

Faraday demostró en un experimento que se podía conseguir inducción electromagnética en determinadas circunstancias. El experimento consiste en usar una espira conductora que no esté conectada a ninguna fuente de alimentación eléctrica y un campo magnético externo creado por un imán natural o un electroimán (solenoide).

Caso 1: Si se acerca o se aleja un imán a la espira, el galvanómetro detectará el paso de corriente eléctrica por ella mientras el imán está en movimiento. El sentido de la corriente cuando se acerca el imán es opuesto al sentido que tiene cuando se aleja. Si se mantiene fijo el imán y se mueve la espira, el resultado es el mismo: aparece una corriente inducida mientras hay un movimiento relativo entre la espira y el imán. Si se sustituye un imán por un solenoide se obtienen los mismos resultados.

Caso 2: Si se mantienen fijos tanto la espira como el solenoide, se observa la producción de una corriente inducida en el momento de abrir o cerrar el interruptor que controla el paso de la corriente en el solenoide.

3. ¿Cómo explica la ley de Faraday-Henry el experimento de Faraday?

La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la variación por unidad de tiempo del flujo magnético que lo atraviesa.

4. ¿Qué se entiende por corriente alterna?

Cuando una bobina gira con velocidad angular constante en un campo magnético uniforme, se produce una corriente inducida que varía y cambia de sentido periódicamente con el tiempo: se trata de corriente alterna (CA).

5. ¿Qué se entiende por alternador?

Es un generador de corriente alterna que transforma la energía mecánica necesaria para girar la bobina en energía eléctrica.

6. ¿Cuáles son los elementos de una central eléctrica?

El elemento básico de una central eléctrica es el alternador, a cuyo eje se acopla una turbina para hacerle girar. Este sistema da lugar a la producción de corriente alterna por inducción electromagnética.

7. Tipos de centrales y energía primaria usada en cada una

• Central hidroeléctrica: energía mecánica (energía potencial gravitatoria).
• Central térmica: energía química.
• Central nuclear: energía nuclear.
• Central eólica: energía cinética del viento.

8. ¿Cómo se realiza el transporte de energía eléctrica desde las centrales?

El transporte de energía eléctrica desde las centrales eléctricas a los consumidores debe hacerse a voltajes muy altos e intensidades muy pequeñas para reducir las pérdidas durante el transporte por disipación calorífica (efecto Joule).

9. Ventajas e inconvenientes de las centrales hidroeléctricas

Ventajas:

• Eliminación del peligro de las crecidas de ríos.
• Conservación permanente de un caudal mínimo en los ríos.
• Suavización del clima por modificaciones climatológicas locales.
• Regulación de los regadíos.

Inconvenientes:

• Inundación de tierras cultivables y de pequeños núcleos urbanos.
• Retención de la carga sólida transportada por el río.
• Acumulación de residuos orgánicos.
• Alteración de las condiciones vitales de especies piscícolas.

10. Ventajas e inconvenientes de las centrales termoeléctricas

Ventajas:

• Instalación de chimeneas y la inyección de aditivos y precipitadores que reducen emisiones contaminantes.
• Las centrales termoeléctricas que usan gas emiten menos contaminantes que las de carbón, por lo que se tiende a potenciar su uso.

Inconvenientes:

• Contaminan por la emisión de partículas y de óxidos de azufre, nitrógeno y carbono, y generan residuos sólidos de la combustión.

11. Inconvenientes de las centrales nucleares

• Contaminación por emisión de radioisótopos, generación de grandes cantidades de residuos nucleares sólidos y contaminación térmica por el vertido de agua caliente. Su funcionamiento está sometido a reglas muy estrictas de seguridad.

12. Inconvenientes de las centrales eólicas y solares

• Las centrales eólicas y solares necesitan grandes extensiones de terreno, con la consiguiente alteración del medio; las eólicas inciden sobre las condiciones de vida de muchas especies de aves, y las instalaciones maremotrices causan perjuicios sobre las especies marinas.

13. Impacto del transporte y distribución de energía eléctrica

1. Son frecuentes los casos de electrocución de aves en líneas de alta tensión.
2. Se investiga el efecto de los campos eléctricos y magnéticos creados por estas líneas, aunque hasta el momento no se han demostrado efectos apreciables sobre la salud humana de forma concluyente.