Osheroff Demo
14 mar, 2013
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PDFImán y cobre
PRESENTACIÓN: Un potente imán de Neodimio se deja caer sobre una placa de cobre observándose el frenado parcial en su caída libre debido a las corrientes inducidas que se oponen a las causas que las producen. Enfriando la placa de cobre con nitrógeno líquido su resistencia disminuirá y el efecto será más apreciable.
- Spherical Rare-Earth Magnets in Introductory Physics, Al Adams, Phys. Teach. 45, 409 (2007)
- Quantitative demonstration of Lenz’s law, O. Romulo Ochoa, Frank Kolp, and Joel T. Handler, Phys. Teach. 36, 50 (1998)
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Esto también ocurre en el tubo de Lenz. Si dejamos caer el cilindro metálico por el tubo hueco, baja tan rápido como si lo dejamos en caída libre, ya que no choca con las paredes del tubo.
Si hacemos lo mismo con un la caída es mucho más lenta, parece que la gravedad fuera mucho menor que en el caso anterior.
El tubo hueco de cobre o aluminio se denomina “tubo de Lenz”. Se eligen estos metales porque son buenos conductores de la electricidad pero no son atraídos por los imanes.
Cuando un imán se mueve cerca de un conductor se producen en éste corrientes inducidas. El sentido de éstas es tal que el campo magnético que generan se opone al que los ha producido, es como si el tubo empujase al imán hacia arriba frenando su caída. Para que el efecto sea apreciable debe haber poca distancia entre las paredes del tubo y el cilindro imantado.
Añado este vídeo gráfico para complementar la explicación de Susana.
A indución electromagnética é o fenómeno que orixina a produción dunha forza electromotriz nun medio ou corpo exposto a un campo magnético variable, ou ben nun medio móvil respecto a un campo magnético estático. Polo tanto, cando dito corpo é un condutor, prodúcese unha corrente inducida. Este fenómeno foi descuberto por Michael Faraday quen o expresou indicando que a magnitude da forza electromotriz inducida é proporcional á variación do fluxo magnético. Por outra parte, Heinrreich Lenz comprobou que a corrente debida á inducida oponse ao cambio do fluxo magnético, de forma tal que a corrente tende a manter o fluxo. Esto é válido tanto para o caso no que a intensidade do fluxo varíe, ou que o corpo condutor se mova respecto del.
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Continuando na temática do electromagnetismo e dos levitróns enlazo a seguinte páxina na que se explica o funcionamento dos mesmos e os pasos precisos para a súa elaboración.
Ademais, grazas á construción dun levitrón pódense explicar fenómenos tan importantes coma a rotación da terra. Para isto propoño a visualización do seguinte vídeo.
O magnetismo ou enerxía magnética é un fenómeno físico polo que os obxectos exercen forzas de atracción ou repulsión sobre outros materiais. Hai algúns materiais coñecidos que presentaron propiedades magnéticas detectables facilmente coma o níquel, ferro, cobalto e as súas aliaxes que comunmente se chaman imáns de terras raras. Porén, tódolos materiais son influídos pola presenza dun campo magnético.
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A cinta magnética é un tipo de medio ou soporte de almacén de datos que se grava en pistas sobre unha banda plástica cun material magnetizado, xeralmente óxido de ferro ou algún cromato. O seguinte vídeo emprega a banda magnética dunha cinta cassette e un imán para recrear o movemento de peixes na auga.
El uso de imanes en la pedagogía, puede ser utilizado para explicar los principios de magnetismo en la introducción a la física. En el nivel inicial de los conceptos relacionados con el campo magnético de la Tierra, las fuerzas magnéticas sobre un dipolo magnético, las distintas clases de materiales magnéticos, la naturaleza del campo magnético en la vecindad de un imán permanente, y tal vez el uso de campos magnética para producir corrientes eléctricas.
Es de destacar, que los imanes están siendo utilizados en el aprendizaje basado en la investigación; Gaja, (2008) y Soler, (2012) realizan investigaciones en el ámbito infantil (0-6) basadas en la experimentación y aprendizaje con imanes. En el ámbito universitario, pueden verse trabajos, como el de Guisasola et al., (2005), en el que se pretende contribuir a un aprendizaje más significativo que favorezca a que los estudiantes tengan una actitud más positiva hacia el aprendizaje del campo magnético en el área de la física, con ayuda de imanes.
Referencias:
Gaja, C. (2008). Investigamos con imanes. Aula de infantil, (41), 34.
Guisasola, J., Almudí, J. M., Zubimendi, J. L., Zuza, K. (2005). Campo magnético: diseño y evaluación de estrategias de enseñanza basadas en el aprendizaje como investigación orientada. Enseñanza de las Ciencias, 23(3), 303-320.
Soler, M. (2012). Experimentamos con los imanes. Aula de infantil, (65), 34-37.
Realizar una pequeña apreciación sobre el comentario de Laura del 23 Decembro, 2014,, en el cual termina relacionando la fuerza electromotriz inducida con la corriente inducida. Un enlace para una aclaración muy didáctica.
El neodimio es un elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Nd y su número atómico es 60. Pertenece al grupo de tierras raras (Lantánidos). Un imán de ferrita cuesta entre 2 y 3 veces menos que uno de neodimio. El imán de neodimio tiene una fuerza de sujeción entre 8 y 10 veces superior a los de ferrita. El imán del experimento puede causar daños en: Tarjetas bancarias, tarjetas de aparcamiento, marcapasos, relojes mecánicos y audífonos. Sin embargo no afecta a: CD, DVD, cámaras, teléfonos móviles, lápices USB o llaves del coche. Si se aumentan los tamaños del tubo de Lenz y del imán, se obtienen imágenes que parecen sacadas del mundo de la magia. Vídeo.
Osheroff fixo este experimento enfriando a placa de cobre con nitróxeno líquido. Isto provoca que aumente a conductividade polo que o imán pode ser lanzado dende unha altura maior, facendo que rebote.
Aprovechando que el neodimio es uno de los diecisiete elementos que componen las tierras raras, no quiero dejar pasar la oportunidad de recomendar el libro de divulgación científica «Las tierras raras» escrito por Ricardo Prego Reboredo, doctor en Química por la Universidad de Santiago de Compostela y profesor de investigación en el Instituto de Investigaciones Marinas – CSIC de Vigo. Muy interesante para el profesorado de Física y Química especialmente.
Los imanes de neodimio tienen aplicaciones en áreas donde no se utilizaban anteriormente los imanes, como los broches magnéticos de joyería, los juegos de construcción magnéticos para niños y como parte del mecanismo de cierre del equipo de paracaidismo deportivo.
También en relación a las aplicaciones de los imanes de neodimio me gustaría destacar que, aunque en el pasado también desempeñaban funciones importantes (sobre todo en los sistemas de orientación y localización geográfica), a día de hoy son imprescindibles para poder llevar a cabo nuestras tareas diarias. En los tiempos de modernidad en los que vivimos, dependemos de los imanes de neodimio en numerosos ámbitos (transporte, industria, ubicación geográfica, telefonía, radio, TV, etc.). Tal y como se puede apreciar en el enlace, las aplicaciones de los imanes de neodimio son tan numerosas como variadas.
Este extraño elemento químico podemos encontrarlo en nuestros hogares formando parte de televisores 4K y lámparas fluorescentes. Su crecimiento en estos últimos años se debe a sus propiedades catalizadoras y su eficiencia para pulir cristales. En si y en esta forma, no presenta un peligro para la salud. En la naturaleza, y puesto que forma parte de los elementos denominados “TIERRAS RARAS”, ya su propia jerarquía indica que es difícil encontrarlo. Sin embargo, su peligrosidad aumenta a nivel laboral ya que las humedades y gases pueden ser inhalados. La acumulación del neodimio en los suelos y en las aguas como consecuencia de vertidos de la actividad de industrias petroleras afecta directamente a animales, plantas y humanos. Esto puede provocar daños en las membranas celulares y en el sistema nervioso. En este vídeo se muestra la fuerza de atracción y repulsión que muestran los potentes imanes de neodimio.
Los imanes de neodimio tienen múltiples aplicaciones, tanto en el ámbito de la medicina, electrónica, como en el mundo de las energías renovables. En este enlace se pueden encontrar las diversas aplicaciones que poseen este tipo de imanes de una manera más detallada
Unha explicación sinxela, a nivel de secundaria, podería ser a seguinte. Supoñamos que o imán cae co polo sur cara abaixo, de tal xeito que a derivada do fluxo magnético no cobre será vertical e orientada cara arriba xusto debaixo do polo sur do imán. Crearanse entón unhas correntes no cobre en sentido horario visto desde arriba, facendo que a parte superior da placa de cobre se comporte coma un polo sur, e o seu momento magnético dipolar estea orientado cara abaixo para contrarrestar o cambio no fluxo. Como resultado, os dous polos tenderanse a repeler e como resultado o imán frearase.Aínda que esta imaxe é útil, cómpre lembrar que a xeometría completa dos campos e a súa relación co movemento macroscópico do imán é bastante máis complicada de tratar de xeito riguroso.
O razoamento que comentei máis arriba vale tamén se consideramos que o imán cae co polo norte por debaixo. Simplemente cambia o sentido das magnitudes vectoriais, pero o resultado é o mesmo: o imán fréase.
As correntes de Foucault ou Eddy currents, teñen numerosas aplicacións tecnolóxicas tal e como foi mencionado (frenado eléctrico, cociñas de inducción, tacómetros…). Na meirando parte das aplicacións, ditas correntes teñen o obxetivo de disipar enerxía. No seguinte experimento, que pode ser realmente útil para demostrar o concepto a nivel educativo, podemos ver como as correntes de Foucault serven para transmitir movemento entre dous sistemas sen ter contacto entre os mesmos. Para a correcta realización do mesmo hai que ter en conta parámetros como a distancia entre eixos ou a capacidade de inducción do imán utilizado.
Vimos la versión de tubo el otro día en clase y la verdad yo no lo había visto nunca. Estos experimentos en mi opinión quedan muy vistosos y además tienen la ventaja de que son fáciles de trasladar a las aulas. Aquí varias versiones con el tubo, péndulos, regla de metal etc.
Buscando información sobre esto, he encontrado este vídeo con la siguiente explicación, que me ha aclarado definitivamente la explicación de este experimento: Cuando un campo magnético fuerte se mueve a través del cobre, provoca una reorganización de los electrones que giran siguiendo un patrón circular, el cual es perpendicular a la dirección del campo magnético que se acerca. El punto es que los electrones se resisten a este cambio brusco generando un campo magnético propio. Ahora, aquí no hay atracción ni repulsión (sólo resistencia), y tampoco es una propiedad del cobre. Esto último se comprueba al hacer pasar un imán de neodimio por el centro de una bobina de cobre abierta. Si el cobre fuera el responsable de ese «retraso», el imán reaccionaría en todos los casos, pero con la bobina abierta cae como si fuera una piedra. Al cerrar la bobina, el momento del imán es convertido en corriente eléctrica, y una excelente manera de visualizar el proceso es usar de puente a un simple LED. Al mismo tiempo, la resistencia causada por la inductancia eléctrica en el cobre permite a un imán levitar cuando se coloca un segundo imán al otro lado de la plancha. Toda la energía es disipada por el cobre como calor, una pérdida que en general no se desea, pero que tiene aplicaciones en el mundo real, por ejemplo, los frenos utilizados en trenes de alta velocidad.
El imán de neodimio es un tipo de imán de tierras raras (los imanes más potentes realizados con aleaciones de elementos químicos) formado por aleación de neodimio, hierro y boro. Estos imanes son interesantes para explicarle a los alumnos las teorías electromagnéticas, utilizándolos para realizar trucos buscando impresionar a los más pequeños y animarlos a investigar sobre el fenómeno.
Es muy importante que los alumnos tengan un modelo muy claro de cómo interaccionan los metales con los campos magnéticos.
Al ver como un metal cae sobre un imán y se ralentiza, el alumno puede pensar que hay una fuerza de repulsión, por tanto la pieza que se frena también es un imán. Tienen que entender que esta fuerza de frenado NO ES UNA fuerza de repulsión entre dos imanes. En la teoría de materiales y magnetismo hay un total de 3 actores. Imanes permantes, metales ferromagnéticos y metales paramagnéticos. Esto significa que deben entender un total de 6 combinaciones. Y lo conveniente es que ellos mismos las manipulen.
Hierro – Hierro – No hay campo – No ocurre nada
Hierro – Imán – Sí hay campo – Se atraen
Hierro – Paramag– No hay campo – No ocurre nada
Imán – Imán – Sí hay campo – Se atraen o repelen según los polos, tienden a rotarse
Imán – Paramag – Sí hay campo – El que aparece en este vídeo, no se atraen ni se repelen, pero sí ralentizan sus movimientos (no siempre)
Paramag – Paramag – No hay campo – No ocurre nada
Los alumnos pueden entonces diferenciar experimentalmente imanes, de metales ferromagnéticos, de metales paramagnéticos.
Me respondo a mí mismo para pegar la tabla de interacciones, que se ha des(con)figurado?.
El experimento de dejar caer un potente imán de neodimio sobre una placa de cobre para observar el frenado parcial en su caída debido a las corrientes inducidas es un ejemplo interesante de los principios de la inducción electromagnética, específicamente la ley de Lenz. Sin embargo, puede presentar algunos desafíos y limitaciones.
Requerimientos específicos: El experimento requiere un imán de neodimio, que puede ser costoso o no fácilmente disponible para todos los entornos educativos. Además, el uso de nitrógeno líquido para enfriar la placa de cobre puede no ser práctico en muchos casos debido a la necesidad de equipo especializado y procedimientos de seguridad.
Complejidad técnica: La explicación de los fenómenos electromagnéticos, como las corrientes inducidas y la ley de Lenz, puede resultar compleja para algunos estudiantes o para un público general. Se podría simplificar la explicación sin perder la esencia del experimento.
Limitaciones visuales: A menos que se proporcione una cámara de alta velocidad o un montaje especial, el frenado parcial en la caída del imán sobre la placa de cobre puede ser difícil de observar claramente, lo que podría limitar la efectividad del experimento en términos visuales para los espectadores.
Ejemplos prácticos de la vida cotidiana: a) Frenado magnético en aplicaciones industriales: El principio de frenado magnético se utiliza en aplicaciones industriales, como frenos eléctricos en trenes y autobuses. La resistencia magnética que se opone al movimiento se aprovecha para controlar la velocidad y detener dispositivos mecánicos; b) Generación de corriente eléctrica: Los principios de inducción electromagnética son fundamentales en la generación de corriente eléctrica en generadores eléctricos. El movimiento relativo entre un imán y una bobina de alambre crea corriente eléctrica, que se utiliza en aplicaciones cotidianas, como la producción de electricidad en centrales eléctricas; c) Aplicaciones de seguridad en frenos electromagnéticos: En la industria automotriz y en la construcción de ascensores, se utilizan frenos electromagnéticos que aprovechan la resistencia magnética para detener el movimiento en situaciones de emergencia, garantizando la seguridad; d)
Efectos de calentamiento en componentes electrónicos: El efecto de las corrientes inducidas puede llevar al calentamiento de componentes electrónicos en dispositivos como transformadores y bobinas. Comprender este fenómeno es crucial para el diseño y la gestión térmica de dispositivos electrónicos.
Este experimento que encontré en youtube tiene semejanzas con lo explicado en este tema.
Parece que levita!!! es impresionante! Es bastante increíble que tarde tanto en caer.
Este sinxelo experimento resulta moi adecuado para captar a atención e o interese do alumnado, xa que é moi atractivo a nivel visual. Paréceme moi oportuno para traballar os contidos referidos a campo magnético e indución electromagnética na materia de Física de 2º de Bacharelato. Para complementar este experimento proporíalle ao alumnado a construción dun motor eléctrico simple, empregando un imán de neodimio, un cable de cobre e unha batería. A partir desta actividade manipulativa poderían comprender o funcionamento dos motores sinxelos e a influencia das forzas magnéticas sobre as correntes. Por outra parte, paréceme unha boa oportunidade para que o alumnado se familiarice co neodimio, un elemento pouco coñecido, pero moi importante na nosa vida cotiá. Sabedes que os imáns de neodimio están considerados como heroes de cara a un futuro sostible e dominado polas enerxías renovables?
Como no puedo aportar ninguna idea nueva acerca de los fundamentos tratados en este experimento, os comparto algunas curiosidades sobre los imanes de neodimio (aleación de neodimio, boro y hierro), y es que son considerados los imanes más fuertes en relación a su masa, siendo su magnetismo 1000 veces superior a su propio peso, los que les atribuye una gran fuerza de aguante. La atracción entre dos imanes de neodimio es tan fuerte que si se colocan lo suficientemente cerca, pueden chocar y romperse. Son considerados imanes de «tierras raras», pero esto no significa que el neodimio sea un metal escaso, es abundante en la corteza terrestre, si no que el término deriva de sus propiedades geoquímicas, pues suelen encontrarase dispersos en lugar de originarse formando vetas como otros metales como el oro. En cuanto a sus aplicaciones, son increíblemente versátiles, además de todas las aplicaciones descritas en los comentarios anteriores, usamos los imanes de neodimio a diario en nuestros teléfonos, altavoces del coche, dispositivos de rastreo GPS, auriculares y televisiones de última generación, que aprovechan los imanes de neodimio para mejorar la calidad de imagen redirigiendo los electrones hacia la pantalla. También se usan en los generadores de turbinas eólicas para producir electricidad, en los vehículos híbridos y eléctricos, a modo de separadores magnéticos en los procesos de reciclaje y eliminación de residuos, y para la eliminación de partículas ferrosas en la cadena de procesamiento industrial. Además, mucha tecnología médica depende los imanes de neodimio, como es el caso de la resonancia magnética.
Es muy interesante ver como las corrientes inducidas frenan la caída del imán, parece que acaba levitando brevemente. He encontrado este vídeo donde se aplica la ley de Lenz para hacer frenos magnéticos, utilizando la interacción entre imanes y corrientes inducidas para reducir la velocidad de un disco, similar al efecto que utilizan algunos trenes para frenar.