Campo Magnético de un Imán Permanente

Objetivos

  • Estudiar cómo cambia la intensidad del campo magnético producido por un imán permanente en función de la distancia.

Fundamentación

Tenemos noticias de observaciones de fenómenos magnéticos por parte de los griegos desde hace ya cerca de 2500 años: cierto mineral (conocido ahora como magnetita) tenía la propiedad de atraer piezas de hierro, y existen referencias escritas del uso de imanes en la navegación que datan del siglo XII.

Antes de que se comprendiera la relación entre las interacciones magnéticas y las cargas en movimiento (lo que será objeto de estudio en prácticas posteriores), las interacciones de los imanes permanentes entre sí y con otros objetos se describían en términos de polos magnéticos. Por analogía con las interacciones eléctricas, describimos las interacciones afirmando que un imán permanente origina un campo magnético en el espacio que lo rodea, y los otros cuerpos responden a ese campo. Una aguja de brújula tiende a alinearse con el campo magnético en la posición de la aguja.

Las aplicaciones de los imanes permanentes pueden dividirse, en forma general, en cuatro categorías:

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Dependiendo de la aplicación, ciertos materiales, proporciones y formas pueden ser más eficientes que otras. El desarrollo de nuevos tipos de imanes permanentes es, gracias a recientes descubrimientos, una de las áreas más apasionantes de la ciencia e ingeniería de materiales.

En esta práctica usará el sensor de campo magnético para apreciar la variación del campo magnético como función de la distancia a un imán permanente.

Equipo requerido

  • Interfaz ScienceWorkshop
  • Soporte universal y nuez
  • Escuadra
  • Calibrador
  • Brújula
  • Sensor de campo magnético
  • 2 Imanes permanentes
  • Pasta limpiatipos
  • Banco de altura graduable

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de campo magnético en uno de los canales analógicos de la interfaz.

3. El sensor de campo magnético tiene ganancias de 1x, 10x y 100x. Para la intensidad del campo a medir, será adecuada una ganancia de 1x.

4. Ejecute el programa DataStudio.

5. Instale el sensor de campo magnético, seleccionando en el programa la ganancia de 1x.

6. Defina la medida de intensidad de campo magnético, verificando las unidades que empleará para esta variable.

7. La toma de datos comprenderá la introducción manual de medidas de distancia entre el sensor y el imán. Para registrarlas, haga clic en el botón Opciones de muestreo. Seleccione la opción Conservar datos sólo si se solicita y habilite las demás opciones disponibles (Escribir valor con el teclado… y Solicitar un valor). Ver Figura 1.

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Escriba un Nombre para la variable y defina las unidades con las que reportará la distancia.

8. Cree un gráfico Intensidad de campo magnético vs. distancia.

Parte II. Configuración del equipo

1. Mida las principales dimensiones del imán (altura y diámetro, si se trata de un cilindro, o altura, ancho y espesor, si es rectangular).

2. Identifique los polos Norte y Sur del imán permanente con ayuda de la brújula.

3. Monte el imán permanente y el sensor de campo magnético como indica la Figura 2a, buscando que este toque el imán cuando el elevador se encuentre en la posición más alta. De ser necesario, use pasta limpiatipos para mantener vertical el imán.

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Parte III. Campo magnético como función de la distancia al imán

1. Seleccione en el sensor la medida de la componente Axial usando el interruptor previsto para tal fin.

2. Aleje el sensor de cualquier fuente de campo magnético y póngalo en cero oprimiendo el botón Tare. Coloque de nuevo en su lugar el sensor de campo magnético.

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3. Verifique que el sensor se encuentra sobre el eje axial del imán.

4. Inicie la toma de datos tomando como primer valor el campo magnético cuando el sensor toca la superficie del imán (Figura 2a). En ese caso, la distancia a registrar es de 0,5 cm, porque el dispositivo que realiza la medida se encuentra a esa distancia del extremo del sensor.

La medida se registra presionando el botón Conservar. Escriba la posición en el cuadro de diálogo que aparecerá a continuación.

5. Baje lentamente el imán (Figura 2b) y registre el valor del campo magnético cada 0,5 cm hasta una distancia de 10 cm del imán (Nota: la distancia máxima depende del imán empleado).

6. Detenga el registro de medidas.

7. Opcional. Realice la medida anterior invirtiendo la posición del imán.

8. Opcional. Quite de nuevo el sensor, aléjelo de cualquier fuente de campo magnético y seleccione la medida de campo Radial usando el interruptor del sensor.

a. Ponga en cero el sensor oprimiendo el botón Tare. Coloque el sensor de campo magnético de nuevo en su lugar.
b. Tome medidas de la componente radial del campo magnético para medidas cada 0,5 cm desde la superficie del imán hasta 10 cm de él.

9. Opcional. Repita este procedimiento para otro imán permanente.

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

Parte III. Campo magnético como función de la distancia al imán

Si realizó la medida del campo magnético para los dos polos del imán, tenga en cuenta las siguientes preguntas:

1. A partir de los datos tomados realice una tabla como la que se muestra. Sugerencia: Obtenga estos valores arrastrando los datos de intensidad de campo magnético vs. posición hacia la opción Tabla en la ventana de Pantallas.

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2. ¿Qué relación debería existir entre las intensidades de campo magnético medidas para cada polo? ¿Se cumple esta relación? Justifique las semejanzas o discrepancias encontradas.

3. Realice un gráfico de Baxial vs distancia. Proponga y discuta con su instructor un modelo que explique el comportamiento observado.

Las preguntas referidas a la componente radial del campo magnético sólo son aplicables en los casos en los que fue realizada esta medida opcional.

1. A partir de los datos tomados realice una tabla como la que se muestra. ¿Cómo cambia la relación Bradial/Baxial? Sugerencia: Obtenga estos valores arrastrando los datos de intensidad de campo magnético vs. posición hacia la opción Tabla en la ventana de Pantallas.

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2. ¿Cómo varían las componentes axial y radial del campo magnético a medida que se aleja del centro del imán?

3. Realice un gráfico de Baxial vs distancia. Proponga y discuta con su instructor un modelo que explique el comportamiento observado.

4. Realice un gráfico de Bradial vs distancia. Proponga y discuta con su instructor un modelo que explique el comportamiento observado.

5. Haga un esquema del vector de campo magnético en cada posición usando los valores de las componentes axial y radial de un extremo a otro del imán.

Bibliografía

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