FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA GRADO I. I. Tecnologías Informáticas

1. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA GRADO I. I. Tecnologías Informáticas Tema 3. Magnetostática Prof. Norge Cruz Hernández

2. Tema 3. Magnetostática. (6 horas) 3.1 Introducción 3.2 Fenómenos magnéticos. El campo magnético. 3.3 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Movimiento de cargas en un campo magnético 3.4 Fuerza magnética sobre un elemento de corriente. 3.5 Acción del campo magnético sobre un circuito plano. Momento magnético de una espira. 3.6 Ley de Biot-Savart. Aplicaciones.

3. Tema 3. Magnetostática. (6 horas) 3.7 Fuerza entre corrientes paralelas. Definición del amperio. 3.8 Flujo magnético. Ley de Gauss para el magnetismo. 3.9 Ley de Ampere. Aplicaciones. 3.10 Teoría electrónica del magnetismo: dipolo magnético en la materia. 3.11 Paramagnetismo y Diamagnetismo. Magnetización y susceptibilidad magnética. 3.12 Ferromagnetismo. Histéresis magnética.

4. Bibliografía Clases de teoría: - Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11. • Clases de problemas: • - Boletín de problemas • -Problemas de Física General, I. E. Irodov • Problemas de Física General, V. Volkenshtein • Problemas de Física, S. Kósel • Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V. D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva. • Libros de consulta: • Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.

5. 3.2 Fenómenos magnéticos. El campo magnético. • Aurora boreal (tomada en Alaska). Ocurre cuando partículas cargadas provenientes del sol se dirigen hacia los polos de la tierra (al sur, aurora austral) y al chocar con la atmósfera emiten luz.

6. Los fenómenos magnéticos se observaron por primera vez hace unos 2500 años, en fragmentos de mineral de hierro magnetizado en la antigua ciudad de Magnesia (actual Manisa en Turquía). Estos fragmentos son los que conocemos como imanes permanentes.

7. Los imanes permanentes tienen la característica de tener dos “polos” y dependiendo de los que se encuentren cercanos, pueden atraerse o repelerse.

8. Podemos frotar una aguja con un imán hasta dejarla imantada, es decir, por un tiempo la aguja imantada se comportará como un imán. • Si permitimos que la aguja se mueva libremente, casi sin dificultad, entonces siempre apuntará la norte geográfico de nuestro planeta, “aproximadamente”.

9. Un objeto no imantado, pero que contiene hierro es atraído por cualquiera de los dos polos de un imán permanente.

10. ¿Cómo definir los polos N y S de un imán? • - Colocamos un imán (aguja imantada) que se pueda mover libremente, y el polo que apunte al norte geográfico, será el polo norte de de nuestro imán. • - Ello significa que el polo sur de la tierra se encuentra en el norte geográfico de la tierra.

11. no existen los monopolos magnéticos • La aguja de una brújula se desvía al acercarse a un conductor que conduce una corriente eléctrica. • Hans Cristian Oersted • 1819

12. campo magnético • campo magnético: es un campo vectorial, es decir, una magnitud vectorial definida en cada punto del espacio. • Definimos la dirección y sentido del vector en cada punto como la dirección y sentido que señala la brújula al colocarla en el campo.

13. Líneas del campo magnético: son líneas cuya tangente en cada punto tiene la misma dirección que el campo magnético en ese punto. • Las limaduras de hierro, como las brújulas tienden a alinearse con las líneas del campo magnético, lo que nos ayuda a visualizarlas.

14. 3.3 Fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Movimiento de cargas en un campo magnético. • - ¿Qué origina un campo magnético? • - ¿Cómo interactúa una carga eléctrica en un campo magnético? • Cuando una carga se mueve siguiendo las líneas del campo magnético, no existe fuerza sobre la carga eléctrica. • Cuando una carga se mueve formando un ángulo con la dirección del campo, aparece una fuerza perpendicular al campo y a la velocidad.

15. La fuerza es máxima cuando la velocidad es perpendicular al campo magnético. • Si existe campo eléctrico: • fuerza de Lorentz

16. El campo magnético en el SI tiene la unidad tesla (T): • (en honor a Nikola Tesla 1857-1943) • También se utiliza la unidad gauss : • Intentamos medir el campo magnético por medio de un tubo de rayos catódicos.

17. movimiento de cargas en un campo magnético • El movimiento de una partícula cargada en un campo magnético no cambia la velocidad de la partícula. • Intentemos determinar el radio del círculo que hace la partícula al entrar en un campo magnético: • Calculamos la velocidad angular con la cual la partícula cargada gira en un campo magnético es: • frecuencia de ciclotrón

18. Movimiento de una partícula cargada con velocidad no perpendicular al campo magnético (uniformes y no uniformes). • trayectoria helicoidal • botella magnética • Las partículas próximas a los extremos intentarán ir al centro de las bobinas. Es una forma de contener gas ionizado con temperaturas del orden de 106 K.

19. Cinturones de radiación de Van Allen alrededor de la Tierra (1958)

20. Aurora boreal (tomada en Alaska). Ocurre cuando partículas cargadas provenientes del sol se dirigen hacia los polos de la tierra (al sur, aurora austral) y al chocar con la atmósfera emiten luz.

21. Aplicación al estudio de la física de partículas • Un rayo gamma entra en una cámara llena de hidrógeno líquido. Parte de la energía se emplea en arrancar un electrón, mientras que otra parte de la energía produce un electrón y un positrón de menor energía.

22. acelerador de partículas (ciclotrón)

23. selector de velocidad • Tenemos una fuente de partículas y queremos seleccionar solamente aquellas que tengan una determinada velocidad. • Solamente pasarán aquellas que cumplan:

24. Experimento de J. Thomson (1856-1940) para medir la relación e/m • pasarán aquellas que cumplan:

25. espectrómetros de masa • Francis Aston (1877-1945) construyó la primera familia de los espectrómetros de masa. • Los iones positivos (suponiendo que han perdido un electrón) pasan al selector de velocidades. • Finalmente entran en una región con un campo magnético realizando un movimiento circular de radio:

26. 3.4 Fuerza magnética sobre un elemento de corriente.

28. altavoces

29. 3.5 Acción del campo magnético sobre un circuito plano. Momento magnético de una espira.

30. momento dipolar magnético • momento de torsión sobre una espira

32. una espira de forma irregular

33. un solenoide

34. dipolo magnético en un campo no uniforme • En un campo uniforme la fuerza neta sobre la espira es cero. • campo no uniforme

35. origen del campo magnético creado por un imán. • Los electrones que componen el entorno de los átomos de un elemento químico son como pequeñas espiras. Algunos elementos químicos se combinan varios electrones y podemos obtener un momento magnético neto en un determinado material (hierro). • movimiento desordenado de los átomos en un material

36. Colocaremos un material no magnetizado en un campo magnético y sucede …

37. origen de la atracción de los imanes a materiales con hierro • Primero los momentos magnéticos del hierro tienen a alinearse con el campo magnético creado por el imán. • En un segundo paso el campo magnético no uniforme atrae al momento magnético originado.

38. huellas del campo magnético • Las lavas de los volcanes está compuesta por algunos elementos que se pueden orientar frente a un campo magnético. • Alguna vez el campo magnético tuvo esa dirección y sentido…. • Si existe campo magnético en la región …

39. motor de corriente continua