fisica3vstrabajosbuenos: noviembre 2011

ELECTROMAGNETISMO

DEFINICIÓN

Rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Estos dos fenómenos se unen en una sola teoría, ideada por Faraday, y se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos, campos magnéticos y sus respectivas fuentes, conocidas como las ecuaciones de Maxwell.
Teoría de campos, es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas cuya descripción matemática son campos vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo estudia los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

ANTECEDENTES

tuvo su origen en el invento de la pila eléctrica realizado por el italiano Alessandro Volta en 1800 veinte años mas tarde se hizo por casualidad otro importante descubirmiento,mientras el físico danes Hans Christian Oersted impartía una clase de física sus alumnos empujo en forma accidental una brújula que se encontraba en forma paralela.

El teléfono y el telégrafo alrededor de 1880 eran aparatos activados por baterías y, basados en el descubrimiento de Oersted, las grandes aplicaciones a la ingeniería de la inducción electromagnética son el motor eléctrico y el dínamo. El mismo Henry, codescubridor de la inducción electromagnética, había construido un motor en 1831 y diseñado juguetes primitivos. Edison inventó un generador bipolar en 1878, un año antes de inventar el filamento de luz eléctrico. El hecho de que hubiera un generador de potencia hizo que el uso de luz eléctrica se difundiera rápidamente. Con el experimento de Hertz se sentaron las bases para la transmisión inalámbrica de ondas de radio. Con ello tambien, aparatos como el radio y la televisión utilizan muchos de los conocimientos que sobre electromagnetismo se generaron en las primeras decenas del siglo XX. Hoy en día, existe un tren capaz de viajar a una velocidad de 518 km/h utilizando la levitación magnética, uno de los principios del magnetismo (la repulsión entre polos iguales). La levitación permite que el tren se suspenda en aire, evitando de esta manera la fricción con los rieles. Este aspecto del magnetismo despertó mi interés. La mayor parte de los estudiantes, apenas tiene algunas ideas acerca del campo magnético, a pesar de figurar en los planes de estudio del secundario. A las dificultades del concepto de campo, se añade las pocas experiencias relevantes que hacen en electricidad y magnetismo. Entonces debía buscar la forma de reproducir éste fenómeno de una manera sencilla y a su vez didáctica.

Michel Faraday físico y químico ingles demostró qué es un objeto electrizado que se encuentra aislado,que las cargas siempre se acumulanen su superficie.

Andre Marie Ampere amplio las observaciones de Oersted, inventando la bobina de solenoide para producir campos magnéticos. También formulando correctamente la teoría de que los átomos de un imán se magnetizan por medio de corrientes eléctricas muy pequeñas que circulan en ellos.

De todo esto surgió Michael Faraday demostrando que un campo magnético cambiante podía producir una corriente eléctrica. Mientras que Oersted encontró que la electricidad podía producir magnetismo, Faraday descubrió que el magnetismo podía producir electricidad las investigaciones experimentales de Faraday, posibilitaron a James Clek Maxwell, profesor de la universidad de Cambridge, Inglaterra, establecer la interdependencia de la electricidad y el magnetismo. En 1873 publico la primera teoría unificada de electricidad y magnetismo. Postulo que la luz era de naturaleza electromagnética y que la radiación electromagnética de otras longitudes de onda debía ser posible. Aunque las ecuaciones de Maxwell son de gran importancia y, junto con condiciones en la frontera de continuidad y otras relaciones auxiliares son la bese del electromagnetismo moderno. Algunos científicos del tiempo de Maxwell fueron escépticos de su teoría, y en 1888 fueron vindicadas por Heinrich Hertz, profesor de física en Karls Ruhe, Alemania quien genero y detecto ondas de radio de cerca de 5 metros de longitud de onda, demostró que con un transmisor y receptor de chispa o señal, excepto por la diferencia en la longitud de onda, la polarización, la reflexión y la refracción de las ondas de radio eran idénticas a las de la luz. Hertz fue el padre de la radio, pero su invento permaneció como una curiosidad de laboratorio hasta que el italiano Guglielmo Marconi adapto el sistema de chispa de hertz para enviar mensajes a través del espacio. Marconi al agregar la sintonización, una antena grande sistemas de tierra, y longitudes de onda mas largas pudo enviar señales a grandes distancias. En 1901 causo sensación al enviar señales de radio a través del océano atlántico. Marconi fue pionero en el desarrollo de la comunicación por radio para barcos.

CONCLUSION

En los últimos 70 años el estudio de la electricidad a evolucionado con gran rapidez porque se han comprobado sus ventajas sobre otros tipos de energía, en la actualidad en los países desarrollados hay varios medios para producir energía eléctrica centrales hidroeléctricas, termoeléctricas y nucleoeléctricas.

Magnetismo terrestre. El fenómeno del magnetismo terrestre se debe a que toda la Tierra se comporta como un gigantesco imán. Aunque no fue hasta 1600 que se señaló esta similitud, los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado mucho antes en las brújulas primitivas. El nombre dado a los polos de un imán (Norte y Sur) se debe a esta similitud.
Un hecho a destacar es que los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los polos geográficos de su eje. Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran ligeros cambios de un año para otro, e incluso existe una pequeñísima variación diurna solo detectable con instrumentos especiales.

Declinación. La diferencia angular entre el Norte magnético y el Norte geográfico, se denomina declinación.

La declinación es Este cuando el norte magnético está al este del norte geográfico, y es Oeste cuando el norte magnético está al oeste del norte geográfico. En España la declinación es Oeste.

La declinación varía de un lugar a otro. Dado que las variaciones no son muy grandes, se suele asumir una misma declinación para zonas geográficas próximas (p.ejemplo la Península Ibérica, uno o más Estados en EE.UU, etc...).

Inclinación. Dependiendo de la zona magnética del planeta en la que nos encontremos la aguja de nuestra brújula puede llegar a inclinarse sobre una superficie totalmente nivelada, hasta llegar a tocar el cristal protector y bloquearse. Este efecto es consecuencia directa de la curvatura de la tierra y de encontrarse en latitudes muy cercanas o alejadas del polo magnético. Así pues, en latitudes cercanas al Polo Norte magnético, la aguja tenderá a bajar, mientras que en latitudes cercanas al polo sur, la aguja tenderá a subir. Para solucionar este problema existe un tipo de brújulas llamadas de "Tipo Global", que lo corrigen.
*Origen del Magnetismo Terrestre*

Proposición de Blackett

Es un hecho misterioso que el eje magnético de la Tierra esté cerca de su eje de rotación, que los polos magnéticos, donde la fuerza magnética apunta directamente hacia abajo, están muy cercanos a los geográficos. William Gilbert vio esto como una evidencia de que la rotación y el magnetismo provenían de la misma causa:

"El movimiento diurno es debido a causas que han de ser indagadas, provenientes del vigor magnétick y de los cuerpos confederados."

Gilbert creía que la Tierra giraba debido a que era magnética. P.M. Blackett, que ganó el Premio Nobel en 1948 por su trabajo sobre los rayos cósmicos, consideraba seriamente la posibilidad contraria, que la Tierra era magnética debido a que giraba alrededor de su eje. En un tiempo, Blackett sugirió que quizás existía un nuevo fenómeno universal, que cualquier objeto girando estaba intrínsecamente magnetizado.

Al principio esto no pareció una mala idea. Los electrones y protones, por ejemplo, tienen un "spin" (giro) intrínseco que les proporciona propiedades parecidas a les de un objeto sólido girando, y también tienen una magnetización intrínseca, que los convierte en diminutos imanes, alineados con sus ejes de giro. En los materiales normales, estos imanes atómicos apuntan en todas las direcciones posibles, con lo que sus efectos se contrarrestan.

Pero en lo concerniente a la Tierra, las conjeturas de Blackett estaban equivocadas. Los experimentos con objetos girando, que por esta teoría deberían producir una magnetización medible, mostraron que no la tenían. Posteriores observaciones también mostraron que durante las últimas decenas de millones de años, la polaridad magnética de la Tierra se invirtió varias veces, algo que no permitiría la predicción de Blackett.

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El centro de la Tierra

El Centro de la Tierra

La forma de propagarse las ondas sísmicas nos dicen que la Tierra tiene en el centro un núcleo líquido denso, que ocupa la mitad del radio terrestre, y dentro de este un núcleo interno sólido. Se cree mayoritariamente que su centro está constituido de hierro fundido, posiblemente mezclado con níquel y azufre. La densidad aparenta ser la adecuada, y el hierro, que de entre todos los elementos es el que tiene el núcleo más estable, abunda en el universo. Se concentra en el centro de la Tierra porque es pesado, por la misma razón que cuando se extrae de su mena, se hunde al fondo del horno de tostado.

La Energía es la moneda con la que se pagan la mayoría de los procesos en la naturaleza. El magnetismo terrestre no es una excepción, y su energía parece provenir de los movimientos de flujo en el centro de la Tierra, de movimientos circulatorios que ayudan a liberar el calor producido. De forma similar, nuestro tiempo atmosférico está dirigido por los flujos de aire circulantes que ayudan a mantener fresco el suelo, donde se absorbe mucha de la luz solar.

Los científicos no están seguros de lo que proporciona el calor en el centro de la Tierra. Quizá provenga de algo del hierro que se solidifica y se une al núcleo central, o quizá esté generado por la radioactividad, como el calor que se genera en la corteza terrestre. Los flujos son muy lentos y la energía implicada es solo una pequeña parte del total de la energía térmica contenida en el centro. Se cree que el metal fundido esta circulando. Al moverse a través del campo magnético existente, crea un sistema de corrientes eléctricas que se extienden por el centro, de forma parecida a la dinamo de disco de Faraday, que se abordó anteriormente. Las corrientes crean un campo magnético, una distribución de las fuerzas magnéticas, y la esencia del problema de la dinamo autosostenida es encontrar soluciones tales que el campo magnético resultante sea también el campo requerido para generar la primera corriente. En realidad, ese solo es el menor nivel del problema, en el que se es libre para formular los movimientos. Para resolver el problema completo necesitamos información sobre las fuentes caloríficas, y estas fuentes deben de ser capaces de impulsar los movimientos que también resuelvan el problema de la dinamo. Tales problemas no son fáciles. Implican matemáticas complejas que todavía no están completamente resueltas. El Magnetismo Solar Una limitación, relacionada con el fallo de la teoría de Blackett, es que cualquier circuito girando como un cuerpo sólido no producirá "corrientes de dinamo". Aún en el caso de que parte del circuito siga al eje de rotación, y pueda, por tanto, ser vista como como no giratoria, el giro sólido no creará ninguna corriente. Una característica esencial de la dinamo de disco de Faraday es que la parte de su circuito que está fuera del disco no comparte su giro. Por consiguiente, la rotación del Sol alrededor de su eje no contribuye, por si misma, a su magnetismo. Lo que es importante en este caso es que el Sol no gira como una esfera sólida. Su ecuador tiene un período de rotación menor que que el las latitudes mayores-- sobre 25 días para el ecuador, 27 días para la latitud de 40 grados (entretanto la Tierra se mueve alguna distancia alrededor del Sol, por lo que desde aquí los períodos aparentan ser de 27 y 29 días). Si la Tierra girase así, Florida (por ejemplo) pronto se desgajaría del resto de los EE. UU. hacia el Océano Atlántico. Ese movimiento asimétrico, que deforma la superficie, puede impulsar una dinamo y en el caso del Sol, se cree que es la origen del magnetismo de las manchas solares. Teoría de la Dinamo Antes de que los matemáticos afronten un problema complejo, prueban soluciones simples (un chiste sobre un modelo matemático de producción de leche: Suponiendo una vaca esférica de radio R, llena uniformemente de leche...). No hay esa suerte aquí: pronto, en 1931, Thomas G. Cowling en Inglaterra, probó que ninguna dinamo autosostenida en el centro de la Tierra puede tener un eje de simetría. Walter Elsasser, de la Universidad de Utah (luego en Johns Hopkins) abordó en los 1940s un ataque frontal sobre el problema tridimensional. No llegó a ninguna parte: las ecuaciones se hicieron más y más intrincadas y se fue a los detalles. Otros tuvieron experiencias similares. Solo en 1964 publicó Stanislaw Braginsky en Rusia las primeras soluciones válidas, asumiendo que el campo tenía en su mayoría una simetría axial y calculando su pequeña desviación de la simetría. La solución al problema completo, incluyendo el flujo calorífico, es mucho más difícil. No solo no estamos seguros del origen del calor, sino que cualquier movimiento causado por él está muy modificado por el giro de la Tierra. Esta modificación es una característica principal de los movimientos a gran escala en la atmósfera, que origina que los huracanes y tormentas se arremolinen en su forma característica. En 1955, Eugene Parker propuso un mecanismo por el cual tales remolinos, en los flujos ascendentes de la atmósfera solar, podrían crear campos de dinamo. Vistas desde arriba, la dirección del remolino de las borrascas en la atmósfera siempre es antidextrogiro (contrario a la agujas del reloj) al norte del ecuador y dextrogiro (en sentido de las agujas del reloj) al sur de él. Esta asimetría se prevé también en los flujos ascendentes en el centro de la Tierra, y Steenbeck et al., en Alemania, expuso en 1966 que, gracias a eso, los modelos de convección desordenados pueden producir un "campo de dinamo" medio. Esto se conoce como "efecto alfa", debido a que implica una cantidad matemática designada por la letra griega α (alfa)--pero los detalles son muy complicados para describirlos aquí.
Magnetismo terrestre. La Tierra, se preguntó William Gilbert, ¿no sería un inmenso imán? Gilbert dio los pasos para entender por qué una brújula se orienta en la dirección Norte –Sur. Pensó que la Tierra necesariamente debe comportarse como un imán gigante cuyo polo norte magnético debe atraerse con el polo sur de la brújula y viceversa, el polo sur magnético de la Tierra debe atraer al polo norte de la brújula.
Para verificar esta hipótesis, el incansable experimentador construye un imán esférico, su famosa Microgé (Tierra minúscula), y al aproximar a su imán, una pequeña aguja magnética móvil en torno de su centro de gravedad, muestra que ésta se comporta igual que una brújula de inclinación (brújula que mide el ángulo de inclinación del campo magnético de la Tierra con respecto a la horizontal) suspendida en el plano de un meridiano de la Tierra.

Según Paul Hewitt, (Física Conceptual, 2 a Edición en español) …. ” No se sabe a ciencia cierta por qué la Tierra es un imán. La configuración del campo magnético terrestre es como la de un potente imán de barra colocado cerca del centro del planeta. Pero la Tierra no es un trozo de hierro magnetizado como el imán de barra. Está demasiado caliente para que los átomos individuales permanezcan alineados. Las corrientes que fluyen en la región ígnea de la Tierra, bajo la corteza, constituyen una mejor explicación del campo magnético terrestre.
La mayoría de los estudiosos de las ciencias de la Tierra piensan que el campo magnético terrestre se debe al movimiento de partículas cargadas que giran en el interior del planeta. Dado el gran tamaño de la Tierra, la rapidez de las partículas cargadas tendría que ser menor que un milímetro por segundo para producir el campo. Otra posible explicación del campo magnético terrestre son las corrientes de convección que se originan debido al calor del núcleo (Ver figura).
El calor de la Tierra se debe a la energía nuclear que se libera en el proceso de decaimiento radiactivo. Tal vez el campo magnético de la Tierra sea producto de la combinación de las corrientes de convección con los efectos de la rotación terrestre. Pero se requieren otros estudios para establecer una explicación más firme. Sea cual sea su causa, el campo magnético de la Tierra no es estable, sino que se desplaza en el curso de las eras geológicas. Las pruebas de este hecho vienen del análisis de las propiedades magnéticas de los estratos rocosos. Los átomos de hierro en estado de fusión tienden a alinearse con el campo magnético terrestre. Cuando el hierro se solidifica la dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas. Podemos medir el leve magnetismo resultante por medio de instrumentos muy sensibles. Así, midiendo el magnetismo de diversas muestras de roca provenientes de estratos que se han formado en periodos distintos podemos elaborar mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Los rastros que quedan en las rocas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse. Durante los últimos 5 millones de años se han efectuado más de veinte inversiones. La más reciente data de hace 700 000 años. Otras inversiones anteriores ocurrieron hace 870 000 y 950 000 años. Los estudios de sedimentos del fondo del océano indican que el campo estuvo prácticamente inactivo durante unos 10 000 o 20 000 años hace poco más de 1 millón de años. Ésta es la época en que surgieron los seres humanos modernos. No podemos predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia no es regular. Pero ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magnético de la Tierra en los últimos 100 años. Si el cambio se mantiene es muy posible que el campo vuelva a invertirse en menos de 2000 años.”