E x p e r i e n c i a N 7: Campo Magntico Terrestre: Componente Horizontal

L a b o r a t o r i o d e E l e c t r i c i d a d y M a g n e t i s m oE x p e r i e n c i a N 7: Campo Magntico Terrestre: Componente Horizontal

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Universidad Nacional Mayor De San Marcos(Universidad Del Per, DECANA DE AMRICA)

Facultad de Ciencias FsicasDepartamento Acadmico de Fsica Interdisciplinaria

Experiencia N 7Campo Magntico Terrestre: Componente Horizontal

E.A.P. 07.2 INGENIERA QUMICA

CURSOLABORATORIO DE FSICA III

ALUMNOSGUERRA BLANCAS JUAN MANUEL 10070032LANDEO LOZANO, IRMA YANIZ 10070034LARTIGA VENTOCILLA, FERNANDO 10070125MACALUPU RIVERA YULIANA 10070043

PROFESORAMEJA SANTILLN, MYRIAM

FECHA DE REALIZACION26 - 10 - 12

FECHA DE ENTREGA09 - 11 - 12

Ciudad Universitaria, Noviembre del 2012LIMA-PERU

TABLA DE CONTENIDO Pgina

Tabla de Contenido .....1 Objetivos.........2 Marco Terico 3 Procedimiento Experimental........9 Cuestionario...11 Conclusiones y recomendaciones........14 Bibliografa.....15

OBJETIVOS

Determinar por simetra la Componente Horizontal del Campo Magntico Terrestre en un punto (laboratorio) con ayuda de una brjula, regla y transportador. Determinar geomtricamente los polos magnticos de un cuerpo magnetizable. Determinar las caractersticas del campo magntico de la tierra. Analiza el comportamiento de una barra magntica en un campo magntico.

CAMPO MAGNTICO TERRESTREComponente HorizontalEXPERIENCIA N 7MAGNETISMOEl magnetismo es un fenmeno fsico caracterizado por el hecho de que, los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atraccin y repulsin sobre otros objetos. Determinados materiales poseen caractersticas magnticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imn tiene dos polos: el polo norte y el polo sur (dipolo magntico). Seguramente, usted conoce las siguientes formas de imanes:Ambos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, estn constituidos por materiales ferromagnticos.Materiales diamagnticos Plata, cobre, bismuto, agua. stos atenan muy poco el campo, es decir, no son magnticos.Materiales ferromagnticosHierro, cobalto, nquel stos intensifican el campo considerablemente.Materiales paramagnticos Platino, aluminio, aire. stos intensifican el campo muy levemente.

CAMPO MAGNTICO DE LA TIERRAHaciendo una simplificacin, la tierra se puede considerar como un imn de barra, que ejerce una fuerza de atraccin y repulsin sobre otros imanes. Por esta razn, como bien se sabe, la aguja imantada de una brjula se orienta hacia los polos de la tierra, a lo largo de las lneas de campo. Tambin parece que algunos animales, como las palomas, utilizan el campo magntico de la tierra para orientarse.El polo norte de una brjula indica aproximadamente la direccin del polo norte geogrfico. En este caso, aparentemente, existe una contradiccin con la regla de los polos (polos opuestos => atraccin). En realidad, el "imn de barra" terrestre se encuentra polarizado inversamente, est contenido en el ncleo lquido exterior de la tierra y tiene una inclinacin de unos 12 con respecto al eje de rotacin de la tierra.Origen del campo magntico terrestre El ncleo interno de la tierra es slido y el ncleo externo es lquido. En el ncleo lquido exterior se produce la conveccin (movimiento circular) de la mezcla lquida de hierro, nquel y azufre, lo que causa una corriente elctrica de magnitud inimaginable. Esto origina una induccin electromagntica en el ncleo de la tierra, que produce, a su vez, un gigantesco campo magntico. La brjulaUna brjula consta bsicamente de un imn apoyado ptimamente, lo que le permite rotar libremente. Por lo general, la brjula tiene una forma pequea y sus extremos terminan en punta. Por esta razn se habla de la aguja imantada de la brjula. Bajo el efecto del campo magntico de la tierra, la aguja se orienta siguiendo el sentido de las lneas de campo. Es decir, el polo norte de la brjula seala aproximadamente en la direccin del polo norte geogrfico.

Ubicacin geogrfica de los polos En realidad, el polo magntico sur de la tierra queda cerca del polo geogrfico norte. En el mapa se puede ubicar exactamente el polo magntico a 74 de latitud norte y 100 de longitud oeste. El polo magntico norte queda en el plano exactamente a 72 de latitud sur y 155 de longitud este. Se debe tener en cuenta que los polos magnticos se desplazan lentamente. Los valores mencionados se refieren a mediciones de los aos 70.La aguja de la brjulaEn esta seccin se conocer la brjula y se medir con ella el campo magntico de la tierra.Coloque la brjula sobre la mesa y observe la direccin que indica la aguja. Gire la brjula repetidamente en diferentes direcciones. Cmo se comporta la aguja?

La aguja se orienta siempre en la misma direccin.En la grfica, la brjula est rotulada con los puntos cardinales. Cul es la rotulacin correcta?

Cul es la polaridad del lado de la aguja magntica que se orienta hacia el polo norte geogrfico?2.- MATERIALES

FUNDAMENTO TERICOEl estudio del comportamiento de los imanes pone de manifiesto la existencia en cualquier imn de dos zonas extremas o polos en donde la accin magntica es ms intensa. Los polos magnticos de un imn no son equivalentes, como lo prueba el hecho de que enfrentando dos imanes idnticos se observen atracciones o repulsiones mutuas segn se aproxime el primero al segundo por uno o por otro polo.Para distinguir los dos polos de un imn recto se les denomina polo norte y polo sur. Esta referencia geogrfica est relacionada con el hecho de que la Tierra se comporte como un gran imn. Las experiencias con brjulas indican que los polos del imn terrestre se encuentran prximos a los polos Sur y Norte geogrficos respectivamente. Por tal motivo, el polo de la brjula que se orienta aproximadamente hacia el Norte terrestre se denomina polo Norte y el opuesto constituye el polo Sur. Tal distincin entre polos magnticos se puede extender a cualquier tipo de imanes.Las experiencias con imanes ponen de manifiesto que polos del mismo tipo (N-N y S-S) se repelen y polos de distinto tipo (N-S y S-N) se atraen. Esta caracterstica del magnetismo de los imanes fue explicada por los antiguos como la consecuencia de una propiedad ms general de la naturaleza consistente en lo que ellos llamaron la atraccin de los opuestos .Otra propiedad caracterstica del comportamiento de los imanes consiste en la imposibilidad de aislar sus polos magnticos. As, si se corta un imn recto en dos mitades se reproducen otros dos imanes con sus respectivos polos norte y sur. Y lo mismo suceder si se repite el procedimiento nuevamente con cada uno de ellos. No es posible, entonces, obtener un imn con un solo polo magntico semejante a un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo. Dicha experiencia fue efectuada por primera vez por Peregrinus, sabio francs que vivi sobre 1270 y a quien se debe el perfeccionamiento de la brjula, as como una importante aportacin al estudio de los imanes.A diferencia de lo que sucede con una barra de mbar electrizada por frotamiento -la cual atrae hacia s todo tipo de objetos con la condicin de que sean ligeros-, un imn ordinario slo ejerce fuerzas magnticas sobre cierto tipo de materiales, en particular sobre el hierro. Este fue uno de los obstculos que impidieron una aproximacin ms temprana entre el estudio de la electricidad y el del magnetismo. Las fuerzas magnticas son fuerzas de accin a distancia, es decir, se producen sin que exista contacto fsico entre los dos imanes. Esta circunstancia, que excit la imaginacin de los filsofos antiguos por su difcil explicacin, contribuy ms adelante al desarrollo del concepto de campo de fuerzas.Experiencias con imanes y dinammetros permiten sostener que la intensidad de la fuerza magntica de interaccin entre imanes disminuye con el cuadrado de la distancia. Representando por Fm la fuerza magntica, por r la distancia y por F12 = .I1,I2.L/2..r el smbolo de la proporcionalidad directa, tal propiedad se expresa en la forma

Donde: Momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotacin, es el momento magntico de la barra y es la componente horizontal del campo magnetico terrestre. Por definicin, el momento magntico de la barra esta dado por: (2)donde, m es la "carga magntica" o tambin llamada "masa magntica" y L es la distancia entre las "masas magnticas". De la ecuacin (1) se deduce que: (3)El momento de inercia de una paraleleppedo rectangular de masa M que gira alrededor de una eje, est dado porb

(4)

Figura 2Por otro lado la magnitud la magnitud del campo magntico B de la barra magntica, en el punto P, tal como se muestra, se encuentra a partir de la ley de coulomb para el campo magntico, y viene dada por

(5)donde, d es la distancia desde el punto medio de la barra al punto P, y m es la masa magntica. En el SI.BxBt

dPBpNmLS

Figura (3)Si la barra magntica se orienta perpendicularmente al campo magntico terrestre, se encuentra que, en el punto P, el campo magntico total, Bt , est en la direccin como el que se muestra en la figura 3. Cuando el ngulo = 450 entonces el campo magntico de la barra es igual a la componente horizontal del campo magntico terrestre, es decir, Bp = Bh. Cuando esto ocurre la ecuacin (5) se transforma en

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1. Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las calibraciones de los equipos.2. Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magntica, M, en kilogramos. Con el vernier mida las dimensiones a y b, de la barra magntica. A partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magntica usando:

Anotar los resultados en la Tabla 1.TABLA 1MASAM(kg)LONGITUD a(m)ANCHOb(m)MOMENTO DE INERCIAI(kg-m2)

0.0187 kg0.0608 m0.0063 m5.835 x 10-6 m2kg

Observacin: 1 nT = 1 nano tesla = 10-9 Tesla(T)3. Determine la distancia L, entre los puntos magnticos del imn. Para ello use la brjula.L

4. Determine la direccin del campo magntico terrestre. Trace la direccin del campo magntico terrestre.5. Trace una perpendicular a la direccin del campo magntico terrestre y sobre esta recta alinee la barra magntica, tal como se muestra en la figura anterior a esta de arriba. El punto P es la interseccin de las dos rectas que se han trazado.6. Coloque la brjula en el punto P. Acercando o alejando la barra magntica al punto P se consigue que las agujas de la brjula forme un ngulo de 45. En esta posicin mida la distancia d y registre este dato en la siguiente tabla.7. Suspenda la barra magntica en la horquilla del magnetmetro y alinala en la direccin del campo magntico terrestre. Con la ayuda de otra barra magntica produzca oscilaciones con ngulos mayores a 10, que no tenga vibraciones laterales.8. Mida el tiempo que emplea la barra magntica en realizar 10 oscilaciones completas y determine su periodo T. Repita esta medicin 5 veces como mnimo y registre estos valores en la tabla:

N DE MEDICIONES123

NDE OSCILACIONES101010

TIEMPO: t(s)939292

PERIODO: T(S)9.39.29.2T= 9.2

L = 0.055 md= 0.105Bh=23439.673 nT

CUESTIONARIO1. Utilice la ecuacin 6 para calcular la magnitud de la componente horizontal del campo magntico terrestre en el laboratorio. Compara tu respuesta para el campo magntico de la Tierra en laboratorio con el valor terico obtenido del modelo de referencia del campo geomagntico 2000, que se encuentra en la pgina web en lnea http://www.ngdc.noaa.gov/cgi-bin/seg/gmag/fldsnth2.pl y discuta las razones para las discrepancias en los resultados.

Tabla 3.- Coordenadas geogrficas y altura en msnm en el patio de la FCF usando un GPS de 100 m de resolucin espacial.

#LATITUDLONGITUDALTURAHORALUGAR

112 03 3677 045495 m12:51:00Patio de la Facultad de Ciencias Fsicas

Siendo el valor hallado en el laboratorio para la Componente Horizontal del Campo Magntico Terrestre

Y el valor terico dado por el National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) en su base de datos National Geophysical Data Center (NGDC) para la fecha del experimento (26-10-12) y los datos dados en la Tabla 3, es igual a

Calculando entre ambos valores el error porcentual:

Se trata de un error moderado, el cual se puede originar en el hecho que estos valores tericos dados por el NOAA-NGDC, si bien requieren una informacin bastante exacta como coordenadas de latitud y longitud, se basan en clculos definidos por modelos implementados en convenciones, como la son la IGRF 11 y la WMM 2010. 1. Qu fuentes de error considera usted que han afectado a los resultados que ha obtenido? Cmo podran superarse estos errores?

Interferencias generadas por la inmensa cantidad de cuerpos ferromagnticos (magnetizables) presentes alrededor del punto de prueba, radiaciones electromagnticas originadas por las telecomunicaciones, etc . . . Los errores generados por estas razones, se pueden reducir efectuando las pruebas en lugares muy bien acondicionados y localizados, por ejemplo en instalaciones con el menor uso posible de estos materiales en su estructura y alejado de una metrpoli.

1. Grafique la lnea de fuerza de la barra magntica, sealando la posicin de los polos magnticos y las distancias L y d.Ver Grfica adjunta.

1. Cules son las caractersticas del campo magntico terrestre? Cul es el comportamiento de una barra magntica dentro de un campo magntico? El campo cambia con el tiempo, fenmeno conocido como la variacin secular. Una parte importante de la variacin secular es la deriva hacia el oeste, consiste en un movimiento hacia el oeste de las concavidades v convexidades caractersticas de un campo no dipolar as como el de los propios polos magnticos. Esta es la razn por la que al campo magntico siempre se le aade una fecha. El campo magntico terrestre representa una proteccin o pantalla contra las partculas del viento solar. En los momentos de mayor debilidad del campo magntico, las partculas de alta energa procedentes mayoritariamente del Sol pueden atravesarlo influyendo en el clima terrestre.

Tomando el principio de una brjula, una barra magntica se orienta en el plano de la lnea de campo que pase por esa regin espacial, apuntando su polo norte hacia el polo sur magntico terrestre.

1. En qu lugar de la tierra las componentes horizontal y vertical del campo magntico terrestre son mximos? Por qu? Explique grficamente.

Las componentes sern mximas dependiendo del lugar en que se encuentren; as: La componente horizontal es mximo en el ecuador magntico por el paralelismo entre las tangentes de las lneas de campo y la superficie terrestre. La componente vertical ser mxima en los polos magnticos por la perpendicularidad con la que las lneas de campo caen a la superficie terrestre. Esto se explica claramente por la similitud que se hace entre las lneas de fuerza del campo terrestre con las de una esfera imanada. Es importante que en realidad el campo magntico terrestre sea muy complicado, variando irregularmente la inclinacin y la declinacin sobre la superficie terrestre, y variando tambin con el tiempo el grafico nos muestra un campo magntico terrestre idealizado.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIASEn esta prctica de laboratorio, se concluye que:

Esta experiencia nos permite comprender la importancia del campo magntico terrestre, el cual, en la antigedad, fue una herramienta muy til para el transporte martimo intercontinental y siempre protege a la tierra de radiaciones solares que, de ingresar a la atmsfera, perjudicaran la vida terrestre.

En cualquier regin del espacio, existe un campo magntico nico, esto se comprueba evaluando valores de intensidad de campo para diferentes lugares, en donde se evidencia que las 3 componentes varan dependiendo que lugar del planeta se est consultando.

A diferencia del campo elctrico de un cuerpo cargado (ya sea positiva o negativamente), las lneas de campo magntico son lneas cerradas. Esto debido a que un cuerpo magnetizado (digamos un IMN) es un dipolo, es decir posee los polos norte y sur magnticos en el mismo cuerpo, lo que hace que las lneas de campo magntico salientes del polo sur magntico se dirijan hacia el polo norte magntico, cerrando la lnea.

Para una mejor experiencia, en esta prctica de laboratorio se sugiere que:

Tener alejados de la mesa de trabajo, cualquier objeto fabricado con algn material ferromagntico que pueda interferir en las mediciones pertinentes.

Al efectuar las oscilaciones de la barra magntica, tratar de causar la menor interferencia mecnica debido al contacto.

Visualizar la aguja de la brjula de manera perpendicular.

Anotar las longitudes exactas que nos entrega el Vernier para el clculo del Momento de Inercia.

Al determinar los polos magnticos de la barrita, trazar una cantidad prudente de tangentes a sus lneas de campo magntico (lneas rectas que deben ser concurrentes en un punto al interior de la barrita).

BIBLIOGRAFA

[1] Sabrera Alvarado, Regulo; Prez Terrel Walter, Fsica III Teora y Problemas, Primera Edicin Julio 2009, Lima Per, pg. 668 - 673.[2] http://todoesfisica407lab.blogspot.com/2010/02/quiz-2-ley-de-ohm.html[3] www.electroequipos.com/pdf/lucas_nulle/Sistema%20UniTrain.pdf