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LEVITACIÓN DE UNA ESPIRA PRODUCIDO POR UN CAMPO MAGNETICO RONAL ANDRES CEBALLO MEDINA MAIROM JOSE MARENCO CONTRERAS OSCAR GUILLERMO PAVA RAMOS UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y DE EDUCACIÓN LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA VALLEDUPAR, CESAR 2016 LEVITACIÓN DE UNA ESPIRA PRODUCIDO POR UN CAMPO MAGNETICO RONAL ANDRES CEBALLO MEDINA MAIROM JOSE MARENCO CONTRERAS OSCAR GUILLERMO PAVA RAMOS Informe presentado como requisito de evaluación parcial en la asignatura de electromagnetismo grupo 15, al profesor Lic. Juan Pacheco Fernández UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y DE EDUCACIÓN LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA VALLEDUPAR, CESAR 2016 PRESENTACIÓN DE LA SITUACIÓN La levitación es un fenómeno que siempre ha cautivado la imaginación del ser humano. Hoy en día, se conocen unos cuantos mecanismos físicos que permiten “sostener” un objeto flotando sin contacto mecánico alguno. Como hemos visto, los imanes generan un campo magnético el cual ejerce una fuerza sobre las cargas en movimiento, al tener una espira por la cual circula una corriente y esta interactúa con un campo magnético debido a las cargas que se mueven en su interior esta experimentara una fuerza generado por el campo y por lo tanto la espira levitara. OBJETIVO GENERAL Analizar la interacción de la espira en el campo magnético OBJETIVO ESPECIFICOS Lograr que la espira flote en el aire, venciendo su propio peso, gracias al campo magnético. Identificar los factores por medio de los cuales se produce la levitación de la espira producida por el imán. Comprobar experimentalmente el fenómeno de levitación. PROBLEMA Al tener una espira de cobre por la cual circula una corriente y la introducimos en un campo magnético ¿Cómo explicar desde los principios físicos la levitación magnética? TEORIA Ferromagnetismo: propiedad de algunos materiales que hace que resulten intensamente imantados cuando se sitúan en un campo magnético, y conserven parte de su imantación cuando desaparece dicho campo. Materiales Ferromagnético: Los materiales ferromagnéticos exhiben un fenómeno de ordenamiento de largo alcance a nivel atómico, que hace que los espines de los electrones no apareados se alineen paralelamente entre sí, en una región del material llamada dominio. El campo magnético dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estará magnetizado, debido a que los muchos dominios que lo componen estarán orientados entre ellos de forma aleatoria. Material Conductor: Los materiales conductores son aquellos que ofrecen poca resistencia al paso de la electricidad, por lo que se transforman en las mejores formas de distribuir la energía en el espacio físico. Campo Magnético: Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles. Fuerza Magnética: Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento Imán: es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o artificial. Los imanes naturales mantienen su campo magnético continuo, a menos que sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas opuestas o altas temperaturas Espira: Una espira es un hilo conductor en forma de línea cerrada, pudiendo ser circular, rectangular, cuadrada, etc. y es una de las vueltas de una bobina. Si por la espira hacemos circular una corriente eléctrica, el campo magnético creado se hace más intenso en el interior de ella. Corriente: Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM). Campo Gravitatorio: En física newtoniana, el campo gravitatorio es un campo vectorial conservativo cuyas líneas de campo son abiertas. Puede definirse como la fuerza por unidad de masa que experimentará una partícula puntual situada ante la presencia de una distribución de masa. Sus unidades son, por lo tanto, las de una aceleración, m s-2. Fuerza Gravitatoria: establece que los cuerpos, por el simple hecho de tener masa, experimentan una fuerza de atracción hacia otros cuerpos con masa. Equilibrio Traslacional: Un cuerpo se encuentra en equilibrio traslacional cuando este no modifica su posición dentro de un especio euclídeo. Cuando un cuerpo se encuentra en equilibrio traslacional la fuerza resultante actuando sobre él es igual a cero. Equilibrio Rotacional: Es aquel equilibrio que ocurre cuando un cuerpo sufre un movimiento de rotación o giro, surge en el momento en que todas las torcas que actúan sobre el cuerpo sean nulas, o sea, la sumatoria de las mismas sea igual a cero. PROCEDIMIENTO Como hemos visto, los imanes poseen un campo magnético, el cual puede ser más o menos poderoso, dependiendo del mismo. También sabemos que los imanes generan un campo magnético el cual ejerce una fuerza sobre las cargas en movimiento; al tener una espira por la cual circula una corriente y esta interactúa con un campo magnético debido a las cargas que se mueven en su interior esta experimentara una fuerza generado por el campo y por consiguiente la espira levitara. Para realizar el experimento se necesita de los siguientes materiales: un imán con forma de anillo. Alambre de cobre delgado para realizar una espira. Batería de 9 o 14 voltio. Tomamos el alambre de cobre y lo enrollamos en forma de una espira circular, ahora acercamos el imán y se puede observar en la fig(a) que la espira no es atraída por el imán debido que el cobre no es un material ferromagnético. Fig (a) Procedemos a conectar la espira con la batería la cual tiene una diferencia de potencial de 9 voltios, acercamos nuevamente el imán a la espira y observamos lo que ocurre. Como se observa en la fig(b) y la fig (c). Fig(b) Fig(c) Para que la espira Levite es necesario que la fuerza magnética sea igual al peso de la espira en magnitud. Como 𝑭𝒎 = 𝐼𝒍 × 𝑩 y 𝑾 = 𝑚𝒈 Por definición de producto cruz tenemos que si el campo magnético es perpendicular al vector longitud nos queda: 𝐹𝒎 = 𝐼𝑙𝐵𝑠𝑒𝑛90° y 𝑊 = −𝑚𝑔 Como sen90 es 1 entonces 𝐹𝒎 = 𝐼𝑙𝐵 Luego como la espira se mantiene levitando en equilibrio tenemos que: ∑ 𝐹 = 𝐹𝒎 + 𝑊 = 0 𝐼𝑙𝐵 − 𝑚𝑔 = 0 𝐼𝑙𝐵 = 𝑚𝑔 Entonces la magnitud del campo magnético será 𝐵= 𝑚𝑔 𝐼𝑙 La corriente será 𝐼= 𝑚𝑔 𝐵𝑙 BIBLIOGRAFIA SERWAY, Raymond A. JEWETT, John W. Física Para Ciencia e Ingeniería Vol.2 Sexta Edición. Califonia State Polytechic Universit Pomona. [Citado el 04 de Diciembre de 2016] Disponible en <http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/materiales/superconductor/super conductor.html [Consultado el 04 de Diciembre de <https://www.youtube.com/watch?v=51D329IBfKI 2016] Disponible en