Imanes

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo comprende un tema muy interesante, los imanes, Sin duda alguna vez hemos observado estos instrumentos que pueden ser muy útiles y con el desarrollo de las tecnologías se han ido mejorando.

Los imanes se clasifican en dos grandes grupos: imanes naturales e imanes artificiales, dependiendo de cómo estén fabricados. También los hay permanentes y temporales de acuerdo al tiempo que dura el magnetismo en ellos.

El magnetismo es tan impresionante que incluso la Tierra es un lo contiene, ¡sí la Tierra contiene minerales de los que están fabricados los imanes! Además el magnetismo tiene una ley muy conocida: ley de la fuerza magnética que establece que los polos magnéticos del mismo signo se repelen y los polos magnéticos de signos contrarios se atraen.

Existen diversos materiales magnéticos (con los que se pueden fabricar los imanes) estos se clasifican principalmente en: diamagnético, paramagnético y ferromagnético. Cada uno presenta características diferentes y para fabricar los imanes se puede utilizar cualquiera, claro teniendo en cuenta el uso que se le va a dar al imán.

Los usos de los imanes son extensos por ejemplo las bandas flexibles que se utilizan para mantener la puerta del refrigerador cerrada, también se usan en timbres, alarmas, motores, teléfonos y una infinidad de aparatos que incluso usamos diariamente.

Los imanes tienen el poder de atraer y repeler las sustancias magnéticas y otros imanes. Esto ha hecho que los imanes sean de gran utilidad en la vida moderna, desde colgar dibujos de tus hijos en el refrigerador hasta viajar en los trenes de levitación magnética y hasta en el funcionamiento de tu computadora. Las diferentes propiedades de un imán hacen que sean un componente útil en varios equipos modernos.

METODOLOGÍA

La presente metodología está basada en ideas y aportaciones del físico y médico inglés, William Gilbert (1544-1603) quien realizó estudios sobre los imanes para mejorar la exactitud de las brújulas utilizadas en la navegación, siendo este trabajo la base principal para la definición de los fundamentos de la Electrostática y Magnetismo.

Gilbert descubrió que muchas sustancias tenían la capacidad de atraer objetos cuando se frotaban y aplicó el término eléctrica para la fuerza que ejercen estas sustancias después de ser frotadas. Fue el primero en utilizar términos como 'energía eléctrica', 'atracción eléctrica' y 'polo magnético'.

Quizá su aportación más importante fue la demostración experimental de la naturaleza magnética de la Tierra. Gilbert fue el primero en aplicar el término electricidad, del griego "elektron" = ámbar.

Para realizar este proyecto se realizó una investigación acerca de los imanes, los materiales de que están hechos, los cambios que se han dado con el paso del tiempo, el magnetismo, las leyes y teorías sobre estos amplios e interesantes temas que se abordaran a lo largo del proyecto.

Además se toma en cuenta una parte esencial de los imanes, el campo magnético que es donde se desarrolla y al hablar de los imanes es inevitable no contemplar este tema.

JUSTIFICACIÓN

Elegimos este tema (imanes) porque consideramos que es algo de quienes todos deberían saber, ya que usamos los imanes a diario en aparatos o instrumentos cotidianos y muchas veces no se toma en cuenta la gran importancia de este material.

Además consideramos que es un tema muy interesante pues con solo escuchar el nombre recordamos que lo hemos usado más de una vez en algún aparato que los contenga por ejemplo el refrigerador, un teléfono, una alarma etc.

OBJETIVOS GENERALES Y PARTICULARES

• Dar a conocer ampliamente el uso de los imanes

• Comparar las leyes y teorías sobre el magnetismo

• Clasificar los imanes según su permeabilidad, magnetismo y materiales de los que están hechos

• Analizar el magnetismo terrestre y hacer una comparación con respecto a otro tipo de imanes

• Demostrar las formas de aplicación del magnetismo

• Calcular la densidad del flujo magnético y la permeabilidad magnética

IMANES

El desarrollo actual y futuro de la tecnología está íntimamente al conocimiento de los imanes ellas están presentes en puertas de refrigeradores, comunicación telefónica tratamientos de medicina alternativa y transporte de trenes de muy alta velocidad (levitación magnética), entre otros.

Un imán es un cuerpo que tiene la propiedad llamada magnetismo; qué consiste en atraer objetos de hierro, níquel y cobalto. Los imanes tienen un polo norte (N) y un polo sur (S) y de manera general se clasifican en dos grandes grupos: imanes naturales e imanes artificiales.

Los imanes naturales son los que están constituidos por el mineral llamado magnetita (Fe3O4).

Se les denomina imanes artificiales a los que adquieren magnetismo a través de algún procedimiento externo cómo puede ser frotamiento o corriente eléctrica. Actualmente son los más utilizados debido a que pueden fabricarse con mayor intensidad, mayor solidez y ser modelados según requerimientos industriales.

Por el tiempo que permanece el magnetismo en los imanes se clasifican en: permanentes y temporales.

Un imán permanente es aquel que de forma ininterrumpida presenta magnetismo estos son fabricados de hierro con alto contenido de carbón.

Los imanes temporales son los que se manifiestan magnetismo siempre y cuando la corriente eléctrica o magnética circule por ellos, pero en cuanto ya no lo hacen pierden su poder de atracción. Son fabricados con hierro y bajo contenido de carbono (hierro dulce).Un ejemplo de esta clase de imanes son: níquel-aluminio, hierro-cromo, cobalto-tungsteno-molibdeno, aluminio-níquel-cobalto, hierro-estroncio entre otros. También combinaciones de samario, prometio, o neodimio con mezclas de cobalto combinado con hierro, cobre, zirconio, titanio, hafnio y manganeso.

La característica principal de estas imágenes es que aun cuando presentan dimensiones pequeñas son capaces de levantar cientos de su propio peso.

Dependiendo del uso que se le da a los imanes estos presentan infinidad de formas.

Se les denominan polos a los lugares de los imanes en las cuales el magnetismo se concentra y es más intenso, se localizan en sus extremos, son de naturaleza distinta y se identifica con los nombres de polo norte y polo sur.

Para identificar con precisión en un imán recto que extremo corresponde al polo norte y cuál al polo sur, éste se suspende en posición horizontal mediante un hilo el cual se deja oscilar libremente hasta que se detiene. Al extremo orientado al polo norte geográfico se le llama polo norte, mientras el que señala hacia el polo sur geográfico polo sur.

Una de las características de los imanes es que si es dividido en dos partes y sus pueblos no se aíslan sino que se forman dos polos nuevos diferentes una en cada extremo. No importa cuántas veces se divida siempre sucederá lo mismo. Por tanto, los polos magnéticos siempre se encontrarán en pares.

CAMPO MAGNETICO

El campo magnético es el espacio que rodea a un imán y en el cual se manifiesta su acción magnética. Se representa por un conjunto de líneas de fuerzas magnéticas (líneas de flujo) que se originan en el polo norte y se dirigen al polo sur; no tienen punto inicial o final ya que forman espiras continuas que pasan a través de él.

La dirección del campo magnético da el sentido de las líneas de fuerza; su intensidad es inversamente proporcional al espacio entre ellas, esto es, a menor separación mayor será, tal como sucede en los polos del imán.

Una forma práctica de visualizar el campo magnético es mediante su espectro magnético correspondiente, para ello se espolvorean sobre una cartulina, papel o vidrio, limaduras de hierro, posteriormente debajo de ellas se coloca el imán que origina que se orienten conforme a la trayectoria de las líneas de fuerza magnéticas. El espectro magnético permite distinguir los polos con claridad.

Al conjunto de líneas de fuerzas magnéticas se le flujo magnético, mientras que a la cantidad que inciden en una superficie, densidad de flujo magnético o simplemente campo magnético, que es una medida del magnetismo.

Dependiendo de si el flujo magnético incide de manera perpendicular o con cierta inclinación en la superficie, las ecuaciones a utilizar para el cálculo de la densidad del flujo magnético cambian.

MAGNETISMO TERRESTRE

En el siglo XII se descubrió que una aguja imantada colocada sobre un trozo de madera flotando en agua se orientaba siempre en dirección norte sur este es el principio el funcionamiento de la brújula magnética que aprovecha que la Tierra se comporta como un enorme y poderoso imán. Hoy en día la brújula es un instrumento muy útil para actividades que requieren de orientación como las aéreas y de navegación.

En la tierra el polo sur magnético se orienta hacia el polo norte geográfico y el polo norte magnético hacia el polo sur geográfico.

Existen varias teorías que explican el magnetismo terrestre y una de ellas menciona que la tierra contiene gran cantidad de depósitos de mineral de hierro y níquel sustancias que se magnetizan con la misma orientación, lo que explica su comportamiento como un gran imán. Otra teoría sostiene que se genera debido a que su núcleo actúa como dinamo autoinducido (dinamo generador) al contener elementos conductores de electricidad como hierro y níquel, qué temperaturas que prevalecen en esta región se encuentra en estado líquido y su movimiento genera su campo magnético. Sin embargo hasta hoy no existe nada concluido al respecto.

LEY DE LA FUERZA MAGNETICA

La ley de la fuerza magnética establece que polos magnéticos del mismo signo se repelen y polos magnéticos de signos contrarios se atraen.

El campo magnético entre dos polos diferentes e iguales se muestra a continuación:

TEORIA DE LOS DOMINIOS

La teoría de los dominios considera que cada átomo es un pequeño imán elemental que presenta polo norte y polo sur, ello debido a que en su interior se producen corrientes eléctricas ocasionadas por el movimiento de electrones, que generan a su vez pequeños campos magnéticos.

A la región del espacio en la que todos los átomos están orientados en la misma dirección y sentido a lo largo de un eje cristalino se le llama dominio. En estado normal, el momento magnético resultante de un pedazo de material es cero, pero cuando un número de dominios se orientan en una misma dirección, el material muestra propiedades magnéticas.

Esto explica por qué una barra de hierro cuyos dominios magnéticos no están inicialmente alineados no presenta propiedades magnéticas (magnetización). Sin embargo, para que las presenten se puede lograr haciéndole pasar corriente eléctrica, utilizando inducción o fricción magnética que haga que los dominios se orienten en una misma dirección.

Existe una propiedad denominada retentividad, cualidad de algunas sustancias para retener magnetismo adquirido por la influencia de un campo magnético externo cuando este último ha desaparecido. Objetos como tachuelas, clips y clavos pueden convertirse en imanes temporales ya que al retirar el imán, los dominios gradualmente se vuelven a desorientar y se pierde la magnetización.

Sin embargo, existen otros, que presentan retentividad alta, que aún después de haber sido retirado el campo magnético externo, los dominios continúan alineados.

Los factores que contribuyen a que se pierde magnetismo son: temperatura elevada y golpes que sufre el material que hacen que sus imágenes elementales (átomos) se pierda su orientación y por lo tanto sus campos magnéticos se anulen.

Algunos materiales como vidrio, papel, plástico, algodón, telas y madera presentan transparencia magnética, esto es, permiten el paso de las líneas de fuerzas magnéticas sin que ellos experimenten magnetización.

PERMEABILIDAD MAGNÉTICA

La permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí el flujo magnético. Nos indica si esta buena o mala conductora del flujo magnético. Es una medida de la facilidad con que una sustancia se magnetiza cuando se somete a un campo magnético externo; cuanto mayor sea también lo es el número de líneas de flujo que pasan por la unidad de área.

El hierro es miles de veces más permeable que el aire, por esto un electroimán que lo contiene presenta un campo magnético mil veces mayor que cuando ésta al vacío.

Cuando un material no magnético, como vidrio, es colocado en la trayectoria del flujo magnético, éste no cambiará apreciablemente en relación con la que se presentaría al viajar sin ningún obstáculo. Pero esto no sucede si se coloca en su camino un material altamente permeable como el hierro dulce, el cual aumenta considerablemente el campo magnético, esto es, concentra un mayor número de líneas de flujo por unidad de área en esta región.

Materiales y aleaciones altamente permeables se utilizan, por ejemplo, para proteger magnéticamente dispositivos como relojes de pulso.

Se manejan tres variantes de permeabilidad magnética: absoluta, del vacío y relativa.

La permeabilidad magnética absoluta definida como el producto de la permeabilidad relativa del vacío nos indica el grado de magnetización de la materia en respuesta a un campo magnético.

USOS DE LOS IMANES

El uso de los imanes es muy amplio se encuentran en envases flexibles de usos múltiples como las utilizadas para mantener cerradas las puertas de los refrigeradores en timbre de alarma motores teléfono automóviles bocinas generadores detectores de metales magnetoterapia llaves para mecánica automotriz tratamiento de aguas broches magnéticos dispositivos magnéticos ahorradores de gasolina impresoras de inyección de tinta organizadores de herramienta rotulación de tuberías flotadores magnéticos brújulas aparatos de resonancia magnética nuclear y transporte que utiliza la levitación magnética para reducir la fricción el desgaste de piezas metálicas y disminuir la contaminación por ruido.

PROBLEMAS A RESOLVER

Existe una gran cantidad de problemas que el uso de los imanes puede resolver, para el uso de instrumentos y aparatos de uso cotidiano. Además se pueden resolver problemas propuestos sobre leyes y teorías de física, a continuación presentaremos un ejemplo de ellos:

• Sobre una espira rectangular de 150 cm2 de área se hace incidir con una inclinación de 390 un campo magnético de 0.17T. ¿Qué valor presenta el flujo magnético?

Datos Incógnita Ecuación Despeje

B=0.17T O=? Wb B= O O=(B)(Ar)(Sen0)

0=390 (Ar) (sen0)

A r =150 cm2

Sustitución

O=(0.17 Wb/m2 )(0.015m2 )(Sen390);= (0.00255Wb)(0.629)=0.016Wb)=1.6x10-3 Wb

Resultado: 1.6x10-3 Wb

ALCANCES Y LIMITACIONES

Al concluir este proyecto pudimos dar a conocer los múltiples usos de los imanes además de que se pudieron mostrar ejemplos de aplicación en la vida cotidiana. También se presentaron problemas y a manera e que se pueden resolver, con lo cual podemos decir que nuestros objetivos fueron cumplidos, aunque falta lo más importante que es desarrollar nuestro proyecto físicamente. Hasta entonces, no podemos dar por concluido el proyecto.

ROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDADES

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

PRIMER PARCIAL

Imanes Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5

Actividad 1 Introducción

Metodología

Justificación

Actividad 2 Objetivos

generales y específicos

Imanes

Actividad 3 Campo magnético

Magnetismo terrestre

Ley de la fuerza magnética

Teoría de los dominios

Permeabilidad magnética

Actividad 4 Usos de los imanes

Problemas a resolver

Alcances y limitaciones

Actividad 5 Resultados,conclusiones y recomendaciones

Referencias bibliográficas

FUNDAMENTO TEÓRICO

Para desarrollar problemas de campo magnético se debe tomar en cuenta:

 El flujo magnético O ; Wb

 El área perpendicular al flujo magnético Ar; m2

 Campo magnético (densidad de flujo magnético) B; T

 Angulo entre flujo magnético y la superficie 0; 0

 Diámetro D: m

RESULTADOS

Luego de analizar el tema de los materiales magnéticos, (que fueron de mucha ayuda durante el proyecto), los resultados que fueron arrojados se presentan a continuación:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Después de realizar el proyecto y mantener un análisis profundo del tema podemos concluir que el estudio de los imanes es sorprendente, es una buena manera de descubrir propiedades de algunos elemento químicos y hay maneras sencillas de comprobar lo expuesto en este proyecto.

También podemos concluir que las aportaciones de diversos científicos fueron de gran importancia ya que con base en ello se inventaron instrumentos que en la actualidad suelen ser muy útiles como las brújulas o los imanes de las puertas de los refrigeradores o de los relojes de pulso entre otros de uso cotidiano.

Nosotras recomendamos ampliamente el uso de experimentos que comprueben lo expuesto en este proyecto por ejemplo el partir un imán y comprobar que los polos siguen estando presentes sin importar cuantas veces se rompa éste.

También recomendamos que visiten las referencias que tomamos en cuenta para tener un más amplio conocimiento de este tema que nos pareció muy interesante.

REFERENCIAS BIBLIOGÁFICAS

LIBRO DE FISICA II

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/magnetismo/ap01_campo_magnetico.php

www.utp.edu.co/.../Reseña%20Histórica%20de%20la%20Electrónica.pdf

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