Ciencias, Salud y Medio Ambiente Guía de autoprendizaje 9.o Grado 1 |

Unidad 4: Electromagnetismo Semana 2 Contenidos Magnetósfera

Electromagnetismo Inducción electromagnética

Tarea propuesta Magnetósfera Respuesta a problemas de inducción electromagnética

Orientación sobre el uso de la guía Esta guía contiene las actividades específicas para que puedas continuar con tus estudios desde casa. Se incluyen las instrucciones, las tareas que debes efectuar y cómo serán evaluadas. Asimismo, encontrarás enlaces a distintos recursos que te ayudarán a resolver cada uno de los requerimientos. Tu docente responsable de asignatura revisará y evaluará las tareas o sus evidencias cuando se reanuden las clases presenciales. A. Actividades

1. Campo magnético terrestre y magnetósfera (tiempo estimado: 1 hora) • La magnetósfera terrestre es una región alrededor del planeta en donde las partículas cargadas se ven

afectadas por el campo magnético de esta. Observa el siguiente esquema en el que se representa el campo magnético terrestre:

• Descarga y lee la Lección 12 del Material de autoformación e innovación docente para Ciencias

Naturales: FÍSICA o consulta el extracto que se anexa en la versión impresa de esta guía. Explica con tus palabras la función de la magnetósfera.

• ¿La magnetósfera es propia de la Tierra o puede existir en otros planetas?

2. Inducción electromagnética (tiempo estimado: 1 hora) • Observa el video 1, Inducción electromagnética, disponible en el canal de Ciencia Educativa. • Ahora, imagina que tu profesor o profesora de Ciencia, Salud y Medio Ambiente te entrega los

siguientes circuitos:

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• Sabiendo que el circuito “a” está unido con alambre de cobre y “b” con poliestireno expandido (durapax), te lanza el reto: ¿en cuál de los circuitos es posible que la bombilla encienda sin utilizar una batería o conectarlo a la energía eléctrica residencial? ¿Cómo y por qué?

• A continuación, se presentan dos espiras, cada una incidida por un campo magnético. Indica qué

movimiento tiene la corriente eléctrica en cada una de las espiras y justifica tu respuesta.

• En la siguiente figura se muestra el principio básico del motor eléctrico. Señala en la imagen en qué dirección se movería la espira y justifica con tus palabras el resultado.

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B. Recursos

• Video 1: Inducción electromagnética, disponible en el canal de Ciencia Educativa: https://www.youtube.com/channel/UCGoSFJZERPBXfU3XvV5qftA, también disponible por televisión abierta (consulta canales y horarios).

• Material de autoformación e innovación docente para Ciencias Naturales: FÍSICA, páginas 207-210, 218- 219. Disponible en http://bit.ly/3b8qpoa; también se anexa un extracto en la versión impresa de esta guía.

C. Evaluación

• Magnetósfera: 40 % • Respuestas a problemas de inducción electromagnética: 60 %

Extracto de Lección 12: Magnetismo. Material de autoformación e innovación docente para tercer ciclo. Física.

5. CORRIENTE ELÉCTRICA Y CAMPO MAGNÉTICO Tal como hemos estudiado, el movimiento de partículas cargadas produce un campo magnético, por lo que es de esperar, entonces, que la corriente eléctrica, la cual por definición es el movimiento de carga eléctrica en un tiempo dado, también genere un campo magnético. El campo magnético que rodea un conductor puede ser evidenciado si colocamos brújulas alrededor de un cable por el cual circula una corriente eléctrica. La aguja de cada brújula se orienta con el campo magnético producido por la corriente del cable y se observa un patrón circular en el alineamiento de las agujas. Si la corriente eléctrica cambia dirección, se puede notar que también cambia la dirección del campo magnético puesto que la aguja de cada brújula da media vuelta (180°, figura 6). Este efecto lo observó por primera vez el físico danés Øersted, quien hizo esta demostración enfrente de sus estudiantes.

Figura 6: Esquema que ilustra el comportamiento en la dirección del campo magnético alrededor de un alambre cuando viaja la corriente en diferentes direcciones

Si el alambre se dobla para formar una espiral, las líneas de campo magnético se agrupan dentro del alambre. Si al alambre se le hace otro doblez en forma de espiral y se sobrepone a la primera espira, la concentración de las líneas de campo magnético dentro de las espiras se duplica. Por lo tanto, la intensidad del campo magnético aumenta conforme vamos agregando más espiras a un alambre por el cual circula corriente eléctrica. Electroimán Al alambre por el cual se le hace pasar una corriente eléctrica para que sirva como imán es al que se le conoce como electroimán. La fuerza magnética de un electroimán se puede incrementar de dos maneras: aumentado la corriente que pasa a través del alambre y aumentando el número de espiras. El alambre que se le ha dado varias vueltas en forma de espiras es lo que se conoce como bobina. Los imanes industriales ganan fuerza adicional cuando se les coloca una pieza de hierro dentro de la bobina. Los electroimanes pueden ser lo suficientemente poderosos como para levantar vehículos en los basureros. Existen algunos electroimanes que no necesitan de colocarles piezas de hierro. Estos electroimanes son utilizados para transporte por levitación magnética. Los trenes por levitación magnética se encuentran funcionando en diferentes países, diversos diseños para optimizar el campo magnético siguen siendo buscados por los

ingenieros en la actualidad. El diseño más utilizado comercialmente consiste en bobinas ubicadas por toda la trayectoria que llevará el tren (como si fueran los rieles). La fuerza de estos imanes contrarresta el gran imán que lleva el tren en la parte baja. Una vez que el tren se encuentra levitando a pocos centímetros, con una pequeña fuerza de empuje se puede desplazar con gran facilidad (figura 7).

Figura 7: Los trenes MagLev (levitación magnética) levitan sobre los rieles con la ayuda de magnetos y superconductores; son los trenes más rápidos en la actualidad

La ventaja que presenta este tipo de trenes es que reduce la fricción que convencionalmente hace un tren sobre los rieles y la única fuerza de fricción que existe es la resistencia del aire; con esta ventaja y el apropiado diseño aerodinámico, pueden alcanzar una velocidad aproximada a la mitad de un avión comercial. Electroimanes superconductores Los electroimanes más poderosos utilizan bobinas superconductoras a través de las cuales la corriente eléctrica puede fluir con gran facilidad. La superconductividad permite que la corriente fluya con resistencia cero y el campo magnético de la bobina se intensifica en gran medida (figura 8), lo que permite que sea más económico trabajar con materiales superconductores, ya que optimizan la energía eléctrica al máximo. En el Gran Colisionador de Partículas del CERN, en Ginebra, Suiza, imanes superconductores son utilizados para guiar partículas de alta energía a través de un acelerador de 27 kilómetros de circunferencia. Los imanes superconductores también se usan en los equipos de resonancia magnética (imagen de la portada de esta lección) de algunas clínicas en El Salvador para producir campos magnéticos lo suficientemente grandes como para generar una imagen digital del interior del cuerpo, utilizando una cantidad de energía relativamente baja.

Figura 8: Demostración de la levitación magnética; la imagen muestra un imán cilíndrico flotando sobre un superconductor de cerámica, el cual se congeló con nitrógeno líquido

6. FUERZA MAGNÉTICA SOBRE PARTÍCULAS CARGADAS EN MOVIMIENTO Una partícula cargada en reposo no tendrá interacción alguna con un campo magnético estático. Si la partícula

Extracto de Lección 12: Magnetismo. Material de autoformación e innovación docente para tercer ciclo. Física.

cargada se mueve en un campo magnético, el magnetismo característico de la partícula cargada se vuelve evidente debido a que experimenta una fuerza que la desvía; la fuerza es más grande cuando las partículas se mueven en dirección perpendicular a las líneas del campo magnético. En otros ángulos, la fuerza es menor y se vuelve cero cuando las partículas se mueven paralelas a las líneas de campo. En cualquier caso, la dirección de la fuerza siempre es perpendicular a las líneas de campo magnético y la velocidad de las partículas cargadas. En pocas palabras, cuando las partículas cargadas cruzan a través de un campo magnético experimentan una fuerza que las desvía, pero si cruzan el campo paralelo a sus líneas no sufren desviación.

Figura 9: Un haz de electrones atraviesa un campo magnético y como resultado son desviados hacia arriba; la dirección de la fuerza magnética apunta hacia arriba siguiendo la regla de la mano derecha. Recuerde que en los imanes la dirección del campo magnético va desde el polo norte hacia el polo sur, por esta razón la flecha de campo magnético coincide con la configuración en que se encuentran los polos del imán Para poder determinar la dirección de la fuerza magnética se utiliza lo que se conoce como regla de la mano derecha. Esta técnica consiste en utilizar la mano derecha como sistema de referencia: los dedos van apuntando hacia la velocidad, se giran los dedos de tal forma de cerrar el puño, dejando el pulgar expuesto. El giro se puede hacer de dos maneras: se gira en dirección hacia su cuerpo, y como resultado el pulgar queda hacia arriba; y la otra, se hace el giro en dirección contraria, logrando así que el pulgar quede apuntando hacia abajo. Si la dirección de los dedos indica la dirección en que apunta la velocidad, el giro se hace desde la velocidad hacia la dirección del campo magnético; la dirección en que apunte el dedo pulgar es la dirección de la fuerza magnética.

Figura 10: Regla de la mano derecha: al colocar la mano derecha con los dedos apuntando hacia la velocidad y girando hacia el campo magnético se puede determinar la dirección de la fuerza magnética observando hacia donde apunta el pulgar

Esta fuerza de desviación que sufren las partículas en movimiento al pasar un campo magnético es de gran utilidad para nuestra supervivencia. Las partículas cargadas en los rayos cósmicos son desviadas por el campo magnético de la Tierra. Aunque la atmósfera de la Tierra absorbe muchas de estas partículas cargadas, la intensidad de los rayos cósmicos en la superficie terrestre sería mucho más intensa sin la protección del campo magnético. CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA No se sabe en sí qué hace que la tierra se comporte como un imán. La configuración que tiene el campo magnético terrestre pareciera una barra magnética muy fuerte colocada cerca del centro de la Tierra. Pero la Tierra no es un pedazo de hierro magnetizado como una barra magnética; de hecho, el centro de la Tierra es demasiado caliente para que los átomos individuales puedan mantener la orientación apropiada. La posible explicación implica a las corrientes eléctricas en el interior de la Tierra. Cerca de 2000 kilómetros por debajo del manto rocoso se encuentra una región derretida que rodea el centro sólido de la Tierra. Muchos científicos creen que el movimiento de las cargas en la región derretida de la Tierra es la que crea el campo magnético. Otros científicos especulan que la corriente eléctrica –como resultado del movimiento de convección dentro de la Tierra, combinado con el movimiento de rotación– es la que produce el campo magnético. Debido a que la Tierra tiene un gran tamaño, la velocidad con que se mueven las partículas cargadas necesita ser solo de unos milímetros por segundo para crear el campo. Se necesita realizar más estudios para poder contar con una explicación firme sobre el origen del campo magnético terrestre. Rayos cósmicos El universo es un escenario constante de disparos de partículas cargadas. Se les llaman rayos cósmicos y consisten de protones, partículas alfa y otros núcleos atómicos, así como también electrones de alta energía. Los protones pueden ser residuos del Big Bang; los núcleos más pesados probablemente se evaporaron de las explosiones de las estrellas. En cualquiera de esos eventos, estas partículas viajaron por el espacio a velocidades enormes y formaron la radiación cósmica que es muy dañina para el ser humano y

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la vida en general. Esta radiación es intensificada cuando el Sol está activo y contribuye añadiendo partículas energéticas. Los rayos cósmicos también son dañinos para los instrumentos electrónicos que se encuentran en el espacio. Afortunadamente, muchas de estas partículas no logran alcanzarnos debido al espesor de la atmósfera. Además, los rayos cósmicos son desviados debido al campo magnético de la Tierra y crean los anillos de radiación de Van Allen (figura 11).

Figura 11: Ilustración de la protección que el campo magnético terrestre ofrece ante las partículas cargadas liberadas por el Sol (la imagen no se encuentra a escala)

Extracto de Lección 12: Magnetismo. Material de autoformación e innovación docente para tercer ciclo. Física.