En la octava edición de la feria de la ciencia el proyecto presentado por el IES Antonio de Ulloa de La Rinconada y por la Asociación Ibn Firnás ha estado relacionado con el electromagnetismo.
“Electromagnetismo útil y divertido” presentó varias mesas donde los chicos y chicas hicieron un repertorio de experimentos donde se dan los fenómenos eléctricos y magnéticos; exponiéndose algunas aplicaciones en artefactos conocidos; destacando asimismo la demostración hecha con robots Lego, de la serie Mindstorms, equipados de motores y de distintos sensores que respondían a una programación establecida por el alumnado. También, se ofrecieron sesiones de planetario y de observación solar utilizando un telescopio PST dotado de un filtro H-alfa.
Stand número 30
IES Antonio de Ulloa y Asociación Ibn Firnás
Observación solar en el recinto ferial
A continuación, hacemos un recorrido por las mesas de experimentos. Si un visitante se acercaba al stand número 30, en la pasada feria, los chicos y chicas contaban y hacían lo siguiente:
Mesa 1 – Magnetismo y Electricidad
“Hola, buenos días (o buenas tardes)
Nuestro proyecto tiene que ver con el electromagnetismo que es la rama de la Física que estudia los fenómenos magnéticos y eléctricos de manera conjunta.
Tanto en China, 2000 a.C. como en la antigua Grecia, 700 a.C. ya tenían conocimientos de los fenómenos magnéticos. Por un lado, a los chinos se les atribuye la invención de la brújula que no es más que una aguja imantada que señala el polo norte magnético de la Tierra. Por otro lado, los griegos conocieron la existencia de la fuerza magnética al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita atraen al hierro. En el campo de la electricidad descubrieron que un trozo de ámbar (resina vegetal fosilizada) frotado se electrificaba y era capaz de atraer trozos de paja y plumas. (La palabra “eléctrica” viene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra “magnética” procede del nombre de un lugar de Grecia llamado Magnesia).
Nuestro proyecto tiene que ver con el electromagnetismo que es la rama de la Física que estudia los fenómenos magnéticos y eléctricos de manera conjunta.
Tanto en China, 2000 a.C. como en la antigua Grecia, 700 a.C. ya tenían conocimientos de los fenómenos magnéticos. Por un lado, a los chinos se les atribuye la invención de la brújula que no es más que una aguja imantada que señala el polo norte magnético de la Tierra. Por otro lado, los griegos conocieron la existencia de la fuerza magnética al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita atraen al hierro. En el campo de la electricidad descubrieron que un trozo de ámbar (resina vegetal fosilizada) frotado se electrificaba y era capaz de atraer trozos de paja y plumas. (La palabra “eléctrica” viene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra “magnética” procede del nombre de un lugar de Grecia llamado Magnesia).
Ámbar, resina vegetal fosilizada
Magnetita
Hay una leyenda griega sobre un pastor llamado Magnos que cuenta que se quedó fuertemente sujeto a unas rocas magnéticas porque sus sandalias tenían clavos de hierro y su bastón un casquillo de hierro para evitar su desgaste.
Mesa de experimentos de magnetismo
y electricidad
Experimento de Hans Christian Oersted. El estudio conjunto de la electricidad y el magnetismo, es decir, del electromagnetismo se inicia a principios del siglo XIX, en 1819, cuando el danés Hans Christian Oersted descubre que la aguja de una brújula es desviada cuando se coloca cerca de un circuito que lleva corriente eléctrica.
Experimento de Hans Christian Oersted
Algunos años después, en 1831, Michael Faraday y, simultáneamente, Joseph Henry, demuestran que cuando un imán se mueve cerca de un alambre, una corriente eléctrica se observa en el hilo (Ley de Inducción).
A continuación, vamos a realizar una serie de experimentos que tratan estos fenómenos de manera separada y más adelante, en el mostrador de al lado, otros, que los tratan de manera conjunta.
Experimento para visualizar el campo magnético. Utilizando imanes permanentes, de distintas formas y tamaños, podemos ver sobre un plano o en tres dimensiones, las líneas de flujo magnético que se extienden desde el polo positivo del imán hacia el polo negativo.
Experimento para visualizar el campo magnético. Utilizando imanes permanentes, de distintas formas y tamaños, podemos ver sobre un plano o en tres dimensiones, las líneas de flujo magnético que se extienden desde el polo positivo del imán hacia el polo negativo.
Experimento para visualizar el campo magnético
Campo magnético en 3D
Líneas de flujo magnético
Los imanes permanentes, que están hechos generalmente de sustancias que tienen hierro, atraen o repelen a otros imanes. Los imanes tienen dos polos, el positivo y el negativo. No importa las veces, que rompamos un imán: siempre habrá en cualquier trozo un polo positivo y otro negativo (y éstos no se pueden aislar al contrario que las cargas eléctricas). En 1269, Pierre de Maricourt, mediante un imán natural esférico, elaboró un mapa de las direcciones tomadas por una aguja al colocarla en diversos puntos de la superficie de la esfera. Encontró que las direcciones formaban líneas que rodeaban a la esfera pasando a través de dos puntos diametralmente opuestos uno del otro, a los cuales les llamó polos del imán.
Algunas aplicaciones de los imanes: grandes electroimanes para transportar grandes pesos; electroimanes para abrir y cerrar puertas; electroimanes que sirven para activar y desactivar mecanismos; motores eléctricos; timbres; lectores y grabadores de información digital en cintas magnéticas o en discos duros de ordenadores, etcétera.
Entre dos imanes se producen efectos dinámicos. Si dos polos iguales se encuentran frente a frente, se produce un efecto de repulsión. Si dos polos opuestos se aproximan, se produce un efecto de atracción. Si colocamos dos imanes enfrentados por el mismo polo dentro de un tubo de ensayo, el superior “flota” sobre el inferior. (Experimentos de atracción y repulsión -efecto dinámico- y de imanes que levitan).
Entre dos imanes se producen efectos dinámicos. Si dos polos iguales se encuentran frente a frente, se produce un efecto de repulsión. Si dos polos opuestos se aproximan, se produce un efecto de atracción. Si colocamos dos imanes enfrentados por el mismo polo dentro de un tubo de ensayo, el superior “flota” sobre el inferior. (Experimentos de atracción y repulsión -efecto dinámico- y de imanes que levitan).
En la imagen, en el tubo de ensayo está
la demostración de levitación magnética
Una aplicación conocida de levitación magnética es la del tren alemán Maglev, de levitación magnética.
Tren de levitación magnética (Maglev)
Experimento para mostrar los polos del campo magnético de la Tierra. Un imán sobre un disco flotando en una cubeta con agua se sitúa siempre en la misma dirección, independientemente de como se posicione el recipiente; señalando un extremo el polo norte magnético, y el otro, el polo sur magnético, de la Tierra.
Situación de los polos magnéticos y
geográficos de la Tierra
Se utilizó una cubeta con agua sobre la que flotaba un disco con un imán para señalar la dirección de los polos magnéticos
Magnetosfera
En 1600 William Gilbert, utilizando el hecho de que una aguja magnética (brújula) se orienta en direcciones preferidas, sugiere que la misma Tierra es un imán permanente. En 1750, John Michell usó la balanza de torsión para demostrar que los polos magnéticos ejercen fuerzas de atracción y repulsión entre sí, y que estas fuerzas varían como el inverso del cuadrado de la distancia de separación. El Polo Norte Magnético se sitúa en la actualidad a unos 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico.
Aurora
Las auroras ocurren cuando partículas cargadas (protones y electrones), son guiadas por el campo magnético de la Tierra e inciden en la atmósfera cerca de los polos. Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno, que constituyen los componentes más abundantes del aire, parte de la energía de la colisión excita esos átomos a niveles de energía tales que cuando se desexcitan devuelven esa energía en forma de luz visible.
Dos experimentos de electricidad.
Experimento de efecto dinámico entre dos cuerpos con carga eléctrica, contando con la colaboración del visitante -tiene que frotar varias veces un tubo de ensayo con un trozo de tela-. Entre los cuerpos cargados de energía eléctrica por medio de la fricción se generan efectos dinámicos. Si las cargas son de igual signo, los cuerpos se repelen. Si las cargas son de signos distintos, entonces éstos se atraen. Este fenómeno nos recuerda a lo que ocurre cuando enfrentamos polos iguales o distintos de dos imanes; aunque es importante señalar que hay una diferencia fundamental: las cargas eléctricas positivas y negativas pueden aislarse; los polos positivo y negativo de un imán, no pueden.
Experimento de efecto dinámico entre dos cuerpos con carga eléctrica, contando con la colaboración del visitante -tiene que frotar varias veces un tubo de ensayo con un trozo de tela-. Entre los cuerpos cargados de energía eléctrica por medio de la fricción se generan efectos dinámicos. Si las cargas son de igual signo, los cuerpos se repelen. Si las cargas son de signos distintos, entonces éstos se atraen. Este fenómeno nos recuerda a lo que ocurre cuando enfrentamos polos iguales o distintos de dos imanes; aunque es importante señalar que hay una diferencia fundamental: las cargas eléctricas positivas y negativas pueden aislarse; los polos positivo y negativo de un imán, no pueden.
Experimento de efecto dinámico entre dos
cuerpos con carga eléctrica
Franklin demostró que “Cuando se frota un cuerpo con otro no se crea carga eléctrica en el proceso. El estado de electrificación se debe a la transferencia de carga de un cuerpo a otro”. Coulomb demostró que ”La fuerza entre cargas es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia que las separa” (Balanza de torsión).
Los conductores son los materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con bastante facilidad, en tanto que son aislantes los que no transportan la carga con facilidad. La tierra puede considerarse como un sumidero infinito hacia el cual los electrones pueden desplazarse con facilidad. Para cargar un objeto por inducción no se requiere contacto con el cuerpo inductor de la carga. Esto contrasta con la carga de un objeto por frotamiento, es decir, carga por conducción, la cual si requiere del contacto entre los dos cuerpos. La corriente eléctrica o intensidad (I), es simplemente, el movimiento de cargas eléctricas que pasa a través de un conductor, o por un punto dado de un circuito, durante un tiempo determinado. La unidad básica de medida de la corriente eléctrica es el Amperio (A), denominada así en honor al sabio francés André Marie Ampére (1775-1836).
Experimento del modelo de electroscopio, contando con la colaboración del visitante -tiene que frotar varias veces un tubo de PVC con un trozo de tela-). La carga de la barra se transmite al péndulo por medio del metal del estribo de sujeción. Las piezas del péndulo, con carga del mismo signo, se repelen. Mientras mayor sea la carga aplicada, será mayor la distancia entre las piezas del péndulo. Este instrumento, apto para la visualización de las cargas electrostáticas (cargas en reposo), se llama electroscopio.
Los conductores son los materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con bastante facilidad, en tanto que son aislantes los que no transportan la carga con facilidad. La tierra puede considerarse como un sumidero infinito hacia el cual los electrones pueden desplazarse con facilidad. Para cargar un objeto por inducción no se requiere contacto con el cuerpo inductor de la carga. Esto contrasta con la carga de un objeto por frotamiento, es decir, carga por conducción, la cual si requiere del contacto entre los dos cuerpos. La corriente eléctrica o intensidad (I), es simplemente, el movimiento de cargas eléctricas que pasa a través de un conductor, o por un punto dado de un circuito, durante un tiempo determinado. La unidad básica de medida de la corriente eléctrica es el Amperio (A), denominada así en honor al sabio francés André Marie Ampére (1775-1836).
Experimento del modelo de electroscopio, contando con la colaboración del visitante -tiene que frotar varias veces un tubo de PVC con un trozo de tela-). La carga de la barra se transmite al péndulo por medio del metal del estribo de sujeción. Las piezas del péndulo, con carga del mismo signo, se repelen. Mientras mayor sea la carga aplicada, será mayor la distancia entre las piezas del péndulo. Este instrumento, apto para la visualización de las cargas electrostáticas (cargas en reposo), se llama electroscopio.
Modelo de electroscopio
(A continuación, invitamos al visitante a pasar a la mesa de experimentos de electromagnetismo, donde se realizarán varias experiencias en las que están presentes ambos fenómenos, los eléctricos y los magnéticos)”.
Mesa 2 – Electromagnetismo
“Con anterioridad, se han realizado varias experiencias en las que se trataban por separado los fenómenos eléctricos y magnéticos. A continuación, se realizarán otras en las que se dan conjuntamente ambos fenómenos.
Experimento de electroimán para cargar pesos. El flujo de corriente en la bobina produce un campo magnético, el cual se torna mayor ante la presencia del núcleo de hierro. En la cara frontal del núcleo se genera una acción dinámica magnética mayor que el peso de la bola de acero. Cuando se abre el interruptor se elimina la fuerza magnética y la energía potencial de la bola de acero se transforma en energía cinética.
Experimento de electroimán para cargar pesos. El flujo de corriente en la bobina produce un campo magnético, el cual se torna mayor ante la presencia del núcleo de hierro. En la cara frontal del núcleo se genera una acción dinámica magnética mayor que el peso de la bola de acero. Cuando se abre el interruptor se elimina la fuerza magnética y la energía potencial de la bola de acero se transforma en energía cinética.
Electroimán
En este caso el peso que atrae el electroimán
es una bola de acero
Aplicaciones: Grúas de fábrica de desguaces, de puertos o de obras, para carga y descarga de grandes pesos.
Hacer experimento de electroimán para mover objetos. El flujo de corriente a través de la bobina genera un campo magnético, el cual se intensifica por medio del núcleo de hierro. La pesa es atraída y se produce un movimiento mecánico.
Electroimán para mover objetos
Aplicaciones: apertura de puertas o compuertas automáticas, control de procesos de conmutación mecánicos.
Funcionamiento de un timbre eléctrico. Si se cierra el interruptor, fluye corriente a través del bobinado del timbre y se genera un campo magnético. Debido a ello, un brazo metálico móvil (rotor), acoplado al martillo, es atraído y así este último golpea la campana. Con el movimiento del rotor se interrumpe al mismo tiempo el flujo de corriente y desaparece el campo magnético. El rotor regresa a su posición inicial y cierra nuevamente el circuito de corriente.
Timbre eléctrico
Funcionamiento de un motor eléctrico. Cuando se cierra el interruptor, circula corriente a través de una bobina montada en el interior del motor (rotor). Con ello se genera un campo magnético. En la carcasa exterior del motor se encuentran imanes permanentes fijos (estator). Entre el campo magnético de la bobina y el del estator se generan efectos dinámicos. Dado que el rotor está montado de manera que pueda girar, las fuerzas de atracción y de repulsión lo hacen entrar en movimiento.
Esquema de funcionamiento de un motor eléctrico
Modelo sencillo de motor eléctrico
Construir dos motores muy sencillos (1) Al cerrar el circuito con el conjunto (pila, imán, hilo de cobre) se hace circular la corriente eléctrica que experimenta una fuerza magnética perpendicular a la dirección de la corriente y hace que la figura de hilo de cobre gire.
(2) Cuando se aproxima el imán a la bobina se generan los efectos dinámicos, por la misma razón que en la experiencia anterior.
En todos los experimentos anteriores se utiliza una bobina de hilo de cobre por la que se hace pasar la corriente eléctrica para crear un campo electromagnético que se utiliza para poner en marcha el mecanismo. Hay infinidad de artefactos que funcionan de este modo: el motor eléctrico de cualquier pequeño electrodoméstico, el disco duro de un ordenador, un teléfono antiguo, etcétera.
Jaula de Faraday. (Introducir al visitante comentando que) la radiación electromagnética es aquella energía que tiene su origen en la aceleración de entidades eléctricamente cargadas -por ejemplo, electrones-. La radiación electromagnética puede considerarse que está compuesta por ondas de partículas, pues presenta las propiedades de ambas; este hecho se conoce como dualidad onda-corpúsculo. Las ondas electromagnéticas están constituidas por campos eléctricos y magnéticos que forman ángulos rectos entre sí y a la dirección del movimiento. Se propagan a través del vacío, siendo esta velocidad algo menor cuando se propagan por un medio como el aire, el agua o el vidrio. Las ondas tienen una longitud de onda y una frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía de la radiación. La luz visible es una onda electromagnética, al igual que las ondas de radio, o las dañinas ondas ultravioletas y los rayos X. (Se enseña la maqueta de la Onda electromagnética).
En todos los experimentos anteriores se utiliza una bobina de hilo de cobre por la que se hace pasar la corriente eléctrica para crear un campo electromagnético que se utiliza para poner en marcha el mecanismo. Hay infinidad de artefactos que funcionan de este modo: el motor eléctrico de cualquier pequeño electrodoméstico, el disco duro de un ordenador, un teléfono antiguo, etcétera.
Jaula de Faraday. (Introducir al visitante comentando que) la radiación electromagnética es aquella energía que tiene su origen en la aceleración de entidades eléctricamente cargadas -por ejemplo, electrones-. La radiación electromagnética puede considerarse que está compuesta por ondas de partículas, pues presenta las propiedades de ambas; este hecho se conoce como dualidad onda-corpúsculo. Las ondas electromagnéticas están constituidas por campos eléctricos y magnéticos que forman ángulos rectos entre sí y a la dirección del movimiento. Se propagan a través del vacío, siendo esta velocidad algo menor cuando se propagan por un medio como el aire, el agua o el vidrio. Las ondas tienen una longitud de onda y una frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía de la radiación. La luz visible es una onda electromagnética, al igual que las ondas de radio, o las dañinas ondas ultravioletas y los rayos X. (Se enseña la maqueta de la Onda electromagnética).
Estamos rodeados de ondas electromagnéticas. Por ejemplo, por este motivo cuando encendemos una radio sintonizamos una frecuencia con facilidad.
Una Jaula de Faraday sirve para aislar un espacio determinado de las ondas electromagnéticas. Como existen ondas de distinta longitud, el tamizado de la Jaula debe ajustarse al tipo de radiación que no deseamos dejar pasar. Las ondas de las emisoras de FM tienen longitudes del orden de unos pocos metros, y las de AM, de unos pocos cientos de metros. Las ondas electromagnéticas son capaces de penetrar muy ligeramente en las superficies conductoras, siempre más cuanto mayor es su longitud de onda. Un aparato de radio en funcionamiento deja de sonar al introducirlo en una jaula de malla metálica. Para que suceda lo mismo con un teléfono móvil necesitaríamos una malla mucho más tupida o, mejor aún, envolverlo en papel de aluminio”.
