EXPERIMENTOS Y PROBLEMAS DE ELECTROMAGNETISMO


Montajes experimentales para simular aplicaciones tecnológicas basadas en el electromagnetismo. De cada uno se puede ver y descargar un  clip de video (clic en este icono: ) un documento textual que lo desarrolla (clic en este icono: )  y un problema resuelto (clic en este icono: ) para 2º Bachillerato.

 

(*) Realizados por Silvia Ronda Peñacoba (Dpto. de Acústica y Evaluación no destructiva del CSIC) (silviarp123@gmail.com) y Álvaro Ronda Peñacoba (alvaroronda1994@gmail.com)
(**) Realizados por Manuel Alonso Orts (Dpto. de Física de Materiales de la UCM) (manalo01@ucm.es)

 

Tema

 

Clip de video

 

Problema


             

 

Tren magnético (*)

Montaje que usa la fuerza de repulsión entre dos campos magnéticos para impulsar un movimiento tal como ocurre en el tren magnético.

 

 

Se monta en el laboratorio un dispositivo que simula un tren magnético. La vía-túnel se construye enrollando sobre una varilla de 1m de longitud y 2cm de diámetro un hilo de cobre y dando 100 vueltas completas de hilo por cada cm de extensión. Para simular el tren se introduce una pila convencional de 1.5V de 3cm de longitud, en el interior del solenoide: a) ¿Cuánto hilo necesitamos para la elaboración del solenoide completo (de 1m)? b) Calculad la corriente que circula por la parte del solenoide que está en contacto directo con la pila. c) Calculad la magnitud del campo magnético que se induce en el interior del solenoide y empuja a la pila. d) Calculad el flujo magnético que atraviesa el sistema pila + imanes (Datos: diámetro de la pila y de los imanes: 1.5cm, diámetro del hilo de cobre: 0.4mm, resistividad del cobre: 0.017Ω /m


             

 

Pistola magnética (*)

Montaje de una versión sencilla del cañón de Gauss, que, entre otras aplicaciones, ha dado lugar a diseños de pistolas magnéticas.

 

 

 

Se construye una “pistola magnética” que consta de dos imanes, es decir, habrá dos tramos de aceleración. En ella la primera bola está separada del primer imán 10cm, la segunda 20cm y la tercera, que ya actúa como proyectil, se separa del objetivo otros 20cm. Suponemos que a distancias tan cortas la fuerza con la que el imán atrae a las bolas de metal, de 20g, es constante e igual a 4N (en realidad esta F aumenta conforme la distancia bola-imán disminuye. Calculad la velocidad, en km/h, con la que sale disparado el objetivo, que pesa 40g. (Dato: Suponed que todos los choques son elásticos y que, cuando las bolas chocan con cada imán terminan en reposo y la transferencia de momento es total de un objeto al siguiente)


             

 

 

Motor homopolar (*)

Montaje de un dispositivo en el que se visualiza la acción de la fuerza magnética sobre un conductor; que  da lugar, en este caso, a un movimiento de rotación. 

 

 

Se construye un motor homopolar elemental realizando un montaje imán + pila + espira. Suponiendo que los valores de las magnitudes sean los que se indican en el esquema adjunto (el esquema puede verse en el documento textual), que las líneas del campo magnético que emite el imán son transversales al conductor en cada caso en la dirección de las flechas rojas y que tienen el mismo valor a lo largo de toda la extensión de cada hilo, se pide: a) Indicad el sentido de la fuerza que el campo magnético ejerce sobre la espira y decid en qué sentido girará. b) Si la intensidad de corriente que sale de la pila y circula por la espira es de 10 A, calculad cual debe ser la longitud de los tramos a y b para que la fuerza que se ejerza sobre toda la espira sea la misma y gire correctamente. c) Suponiendo que la fuerza que produce el giro es la calculada en el apartado anterior, calculad el momento angular sobre el extremo largo de la espira. d)  Si la varilla es de 40 g, calcula la aceleración, angular y tangencial, con la que gira.


             

 

Balanza magnética (*)

Montaje para obtener la fuerza que ejerce un imán sobre un objeto igualándola con el peso del mismo, como ocurre en algunos tipos de balanza magnética.  

 

 

Se puede construir un colgador magnético elemental basado en la igualación de la fuerza que ejerce un imán sobre un objeto metálico con el peso del mismo. Supongamos que, con objeto de montar este dispositivo, usamos un imán y necesitamos determinar la fuerza atractiva que ejerce sobre un cuerpo metálico. A tal fin, colgamos peso de él hasta que se desprende, llegando a sostener 3 kg. a) ¿Cuál es la fuerza del imán? b) Este peso se descuelga desde una altura de 2 m y cae sobre uno de los lados de un trampolín. En el otro lado hay una bola metálica de 1 kg. ¿Hasta qué altura sube esta bola? c) Para tratar de que la bola ascienda hasta los 10 m se coloca un imán cuya fuerza de atracción sobre la bola puede aproximarse a una constante de 5 N. ¿Sería suficiente?


             

 

Hierro en los cereales (**)

Experimento  para comprobar la posible presencia de hierro en algunos alimentos y poner en evidencia si tienen propiedades magnéticas.  

 

 

Tenemos el recipiente de cereales de avena que muestra la imagen adjunta (la imagen puede verse en el documento textual).Cogemos un cereal, medimos su superficie (2cm2), y lo pesamos: su masa es de 2g. a) ¿Qué masa de hierro tenemos en el cereal? b) Si ponemos el cereal perpendicular a un campo magnético uniforme de 0.1T, ¿cuál será el flujo sobre el mismo? c) A pesar de estar sometido a un campo magnético y a ser una sustancia magnética, no observamos que el cereal se vea afectado por el campo magnético. ¿Por qué, si ambas sustancias, el cereal y el imán, son magnéticas? d) Teniendo lo anterior en cuenta, poned una cota máxima a la fuerza magnética que se ejerce entre el imán y el cereal utilizado anteriormente.


             

 

Plasma (**)

Experimento en el que se genera y se observa un “plasma casero”.

Realizado con la colaboración de Carlos Romero (técnico de Laboratorio de la UCM)

 

 

 

Sea un experimento en el que, tras eliminar la mayor parte del gas atmosférico, se introduce argón (Ar) en una campana y, al aplicar un voltaje, se acumulan electrones en un electrodo (es decir, se obtiene un cátodo). Mediante la colisión de los átomos de Ar con el cátodo, arrancamos electrones del mismo, los cuales a su vez colisionan con los átomos de Ar, ionizándolos y generando un plasma: a) Escribid la configuración electrónica de los átomos (18 electrones) e iones de Ar. b) Justificad por qué, a diferencia de otros gases más comunes como el nitrógeno o el oxígeno, el argón es un gas monoatómico y razonar por qué se utiliza en un sistema de deposición de materiales como este. c) En ocasiones, estos sistemas llevan imanes incorporados. Escribid la ecuación de la fuerza de un electrón que se encuentre en la campana de la imagen (se puede ver en el documento textual), si además de al campo eléctrico, se ve sometido a un campo magnético uniforme en la misma dirección. ¿Qué trayectoria seguirá el electrón en este caso?