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·'A.· 'Magnetismo. 1. Maghetismo terr:estre. Brujula• .I . y", aabemos, por la primera parte,lo que ea un iman y conocemos ' 'as propiedades de la region que 10 rodea que la hemos Uamado cam po magnetico. Tambien sabemos que una pequeiia brujula, 'colocada en un campo magnetico se orienta en la direccion de las lineas de' fuerza. " " Ahora bien, la mlsma hrujula en la superfice de la tierra, se com porta de la misma manera. De esto deducimos que alrededor de la tierra existe un campo magnetico, 10 que significa considerar la tie rra como una gran esfera imanada (Gilbert 1660). . Las propiedades de este iman y de este campo terrestre no son tan bien definidas como las de los imanesque consideramos en la prime ra parte. Este hecho se debe a dertas circunstancias, universales que el hombre no ha podido determinar cuantitativamente y con ,toda exactitud; Sin embargo, en cuanto a la direccion e intensidad de campo ya las variaciones, siempre se tienen datos bastante inte resantes. ' , DIRECCION: Esta la determinam08, como ya sabemos, con la brujula de ensaye, la clial siempre se coloca tangencialmente a las lineas de fuerza. De todos es familiar el hecho de que una brujula en ,Ia superficie de la tierra, se orienta (aproximadamente) en la direc cion Norte-Sur geogrifico, de donde deducimosque las lineas de fuerza del campo magnetico terrestre'siguen aproximadamente la misma direccion de los meridianos geogrificos. Dijimos que aproxi madamente, porque en realidad la· direccion no es precisamente la del polo norte geografico, sino la de un punto que esta situado cerca del polo norte geografico, punto que segun el experimento, es un polo sur magnetico, ya que es el polo norte de la aguja el que se dirige ha cia este punto. Tenemos aqui Ia explicacion 0 razon-por cierto poco feliz-:-que tuvieron los fisicos para nombrar los polos de la brujula: llamando polo norte de la brujula aque) que se dirige hacia el polo norte geografico de la tierra. Con otraspalabras, el eje terrestre que atraviesa la superficie de .Ia tierra en los polos geogrlificos no coin cide con el eje magnetico que la atraviesa en los polos magneticos, que estlm situados aai: .' Polo sur magnetico en la penrnsula Boothia Felix . . lat. n. 70°. 40" long.oe. 960 5' (Ross 1831) Polo norte mar,rnetico en la tierra de Victoria lat. s.72°. long. oe. 1550 (Borchgrevink 1900)., Claro que bajo tales condiciones lasllneasmagneticas terrestres que son lineas curvas, obligan a' la brujul~de ensaye a orientarse en una direccion que en el plano horizontal hace un angulo con Ie d, ..., , , nlCar en ciertos'graf' , I' . lsma.' , ' IC~S por mea!! qUe se " , ; : , 2 Fig, 1 , i , ,Fig. 2 ' c,ia el ~este. Tampoco es' 'co t ' " . . "" . ;rlacione~ diurn~s y seculares~L=~~:~ara el mismo I~g:,-r ytiene va cen varlar caprlchosamente la d r p~':.tades magnctlcas p; e. ha ce 10 ,5.:. muestra las declin'acione=cdlnatlon. El cuadro 9 del apendi la e ,ano 1933. Tambien Ia inclinac~t gun,.?s ugares dela tierra pa':' o ptdl~m? que, dijirrios acerca de la d~ l:lrla .IJ'ucho y vale para ella ,apen. Ice. .,' J' . ",' • "clnaclon, vease cuadro 9 del ' ' , Los lugares en la sup r' d I .eclinaci6n. se suelen cornue~ ICle, e a tierra que tienen la~' ' 3 Uaman llneas isogonas, y ios lugares de la misma inclinacion se comunican .por las lIamadas lineas isoclinas. Las figuras'l y 2 rrmes tran las lineas isogonas e isoclinas para el ano' 1920.,' ' . ' INTENSIDAD. Ya que hemos determinado la direccion del cam po magnetico terrestre, por medio de la declinacion e'inclinacion, nos falta unicamente hablar de 'su intensidad para conocerlo integra mente. Ya dijimos en la primera parte, que para un lugar de la tierra, el campo magnetico terrestre puede considerarse con mucha apro ximacion (debido, a su tamaiio) cpmo homogeneo; pero a pesar deesto la intensidad' en dicho punto no es constante, pues varia de ,la misma manera que Ia declinacion y la inclinacion. Podemos determinar un valor medio de esta intensidad. para cada punto de Ja ~uperficie de la tierra. ' Llamase componente ho rizontal del magnetismo. te rrestre; la fuerza con la cualse orienta una pequena brujula m' que tenga un polo unidad, co locada en un plano horizontal. Este componente vale m. o. , m. 0.2 gauss, de manera que el campo terrestre obra sobre un polo m con la fuerza de 0.2' m dinas. EJEMPLO: (Determina"; cion de la intensidad de polo ,de un iman desconocido). En la figura 3 tenemos la brujula m m' que esta' libre y que por consiguiente se 'colocaen la m' '" direccion N-S. Sus polos, tie- l,S' 'nen m unidades de polo cada uno. Al desviarla 90 0 de sU p0 sicion de equilibrio; la fuerza Fig. ;)" que tiende a volverla, vale 2 . ' XO.2 m dinas. Si la desviamos con el iman desconocido x, podemos ,establecer una igualdadentre la fuerza que encontramos anteriormente, Y la fuerza con que el iman atrae 0 repele al polo de la brujula, Esta fuerza la podemos de , terminar pOl' medio de la ley de' Coulomb y vale, cuando In distancia normal, (que es 10 unico que hay que medir) es r'" , . F x~m -:-~2- Entonces, pOl' ser esta fuerza igual ala 'prime;a, nos result a: x = intensidad de polo del iman desconocido O. 4 X 1'2. ,, , PROBLEMA: Un~ a~uja de inclhlaci6n fo~ma un angulo de 65 0 con el horizonte cuando estli. colocnda en el plano del merid!ano magnetico. Si en el extremoSur so ata un alambre delgado que repre senta un peso de 0.5 gramos, la aguja toma una nueva posicion que forma con 01 horizonte un lingulo de 600 ;,Que pesO hay que colocar para que la aguja quede horizontal? . '.Para regolver este problema tomonlOS los momentos en cada lIaman Iineas isogonas, y ios Iugares de Ia misma inclinacionse comunicanpor las llamadas lineas i80clinas. Las figuras 1 y 2 mues tran las IIneas, isogonas e isoclinas para el ano 1~20. ". '. INTENSIDAD. Ya que hemos determiliado Ia direccion del cam:" po magnetico terrestre, por medio de Ia declinacion. e inclinacion, ' nos falta unicamente hablar desuintensidad para conocerlo integra mente. Ya dijimos en la primera parte, que para un lugar de la tierra, el campo magnetico terrestre puede considerarse con mucha apro ximacion {debido· a su tamano} cpmo homogeneo; pero a pesar deesto la intensidad en dicho punta no es constante, pues varia de . la misma manera que la declinacion y la inclinac,on. Podemos determinar un valor medio de esta intensidad, para cada punto de .Ia ~uperficie de la tierra. " Llamase componente ho rizontal del magneti!lmo, te rrestre; la fuerza con la cual se ' orienta una pequena brujula que tenga un polo unidad, co locada en un plano horizontal. , Este componente vale m. o. , m. 0.2 gauss, de manera que el campo terrestre obra sobre un polo m con la fuerza de 0.2 m dinas. EJEMPLO: (Determina...; cion de la intensidad de polo de· un iman' desconocido). En , la figura 3 tenemos la brujula m mt que esta' libre y que flor ' consiguiente' se colocaen la , ·.direccion N-S. Sus polos, tie \ .nen m unidades de polo cada uno. Al desviarla 90 0 de su po sicion de equilibrio, la fuerza Fig. 3 'que tiende a volverla, vale 2 . X0.2m· dinas. Si la desviamos con el im[m desconocido x, podemos ,establecer una iguaIdad,entre la fuerza que encontramos anteriormente y lafuerza con que' el iman atrae 0 repehi al polo de la.brujula. Esta fuerza la podemo8 de terminar por medio de laley de' Coulomby vale, cuando la distancia norm.al. (que es 10 uriico que hay'que medir) es r" , m' . ' . , . Entonces, por ser esta fuerza iguala la 'prime;a, 'nos resulta: x, = intensidad de polo del iman .desconocido , O. 4 X'r2: , PROBLEMA: Una aguja de inclinaci6n forma un angulo de 650 con el horizonte cuando esta colocada en el plano del meridiano magnetico. Si en el extremoSur se ata,un alambre delgado que repre senta'un peso de 0.5 gramos, la aguja toma una nueva posicion que forrnacon el horizonte un Angulo de 600 i,Que peso hay que colocar , para que la aguja quede horizontal?, . '. . , . 'Para resolver este problema tomernos los momentos en cada' , . . \ -4 ca~;;o de Ia manera como 10 indican las {iguras 4 y 5, y tendrernos: En el caso '(A): , , '0,5XI.cos600 2XF.l.sen.5°, De manera analoga se obtiene en el caso (B): , x.l=2XF.I.sen 65°. De e,stas dos ecuaciones' obtenemos: . 0,5. sen 65°.cos60° 2,6gr. sen 5°. De manera pUes, que hay que colocar un peso de 2,6 gr. en el lado Sur de la aguja y esta quedara horizontal. 2. Medicion de fenome nos. magneticos . Existeun sinnumerode apara tos para medlr fen6menos mag neticos, .propiedades de campO, etc. pero en su generalidad son aparatos' de laboratorio y de poea aplicacilm practica para .el inr.eniero~ y no sitmdo este libro un tratado especial de.magnetis . mO,nos contentaremoscon men , cionar los mas importantes. . La figura' 6 muestra un .' . "magnetometro". Este instru .mento .consta de una pequena aguja magnetica suspendida Ji bremente y provista de.un dis positivoque permita medir el angulo de giro de, la 'aguja. . La {igura 7. muestra un dis':: positivo que. permite medir en la superficiede la tierra la decli nacion y la inclinacion. Consiste sencilIamente de una br\:ijula giratoria montada sobre un eje horizontal que puede oscihir so-' bre un circulo graduado. Cuando . ·Fig. . " . . . d circulo se orienta en la direccion N-S, se pucde medir la inclinnci6n en el dreulo graduado, Haciendo girar el plano del circulo, hasta co )o::arlo horizontalmente, podemos medir la declinaci6n. previo ,eono 5 ciJniento del meridiano geogriEico dellugar do~de nos encontram08. , La figura 8 muestra una bobina de bismuto, que usan loa fi sicos para medir 1a intensidad de un campo magnetico." ,:' , EI bismuto tiene la propiedad de cambiar su resistencia electri. ca cuando esta sometido a la accion de un campo magnetico. Estn variacion para campos de menos de 10.000 gausses no es lineal, pero de 10.000 gausses en, adelante crece proporcionalmente al campo. La bobina consta de un hila doble de bismuto enrollado en una es piral que se coloca normalmente al campo magnetico. La resisl:encia electrica de este hilo se mide p.e,' con un puente de Wheatstone. Se ·mide primero Ro"o sea la resistencia electrica de la bobina sin cam 'po magnetico y despues.Ia.resistencia Rc en el campo que hay que determinar., EI siguiente cuadro indica el aumento de.la resistencia en porcientaje para: distintas intensidades de campo:' , Intensidad de campo en gausses aumento de resistencia ~n % 2000 4,6 6000 24,0 I 10000 48,0 ' 20 000' 109,0 30000 170,0 , 40 000 ;' 237,0 Naturalment~ pueden medirse campos y flujos facilmenie, va- • liendose de la regia de induccion (vease primera parte) que dice: cuando ul1conductor corta en un segundo 100 000 000 Hneas de fuerza, se produce en el conductor una corriente inducida de un vo;. tio. Basta para esto tener un voltlmetro y la manera de apreciel tiein pO!Jn que pasa el conductor por el c&mpo,(P.e. un velocimetro). " , 1 , • '. "Comounico uso importan. " N te de ,Ia brujula, citamos la' "'1 D " brujula maritima, que se utm.;. ~ za en la orientacion sobre los ,~.;)llllllllWJ!IllIlWLru~ mares y en aviacion. En la fi gura 9 vemos que consta' no de , Fig. 6 \ una aguja como las brujulas comunes, sino de un' disco en el cual esta dibu jada la rosa de los, vientos y que, tiene pegada por'debajo una 0 vadas vari 'lias imanadas, (por 10 general cuatro). Todo el conjunto esta, suspendido de manera que permanezca siempre, ho-, ' rizontal (suspension de Cardano). " 'Las brujulas marltimas'deben es tar "debidamente protegidas. contra las perturbaciones magneticas, causadas por la misma masa metalica de los bar cos, por medio de esferas, dl! hierro que compensan la~ influencias dil.iiinas. 3. EleCtroimanes ,Los imanes m&s usados en la tecni:" ca, sobre todo en electrotecnica,son to dos imanes excitados electricamente. Por ser tan numerosa la aplica 'ci6n de ello's y': tan, vari!idos en su for: ma~ nos verett;10s obUgado's, con ni.u~ " "" ' Fig. 7 ------------ -.6 " cha frecuencia, en los 'sjguientes ca~ltulos, a tratar de electroimanes;' por esto, en seguida trataremos unicamente de las. generalid!ldes. JComo vimos en la primera parte, para determlnar eJ fluJo mag netico' de un electroiman es necesario conocer el numero de ampe.. rios vueltas por c,entlmetro de longitud ylas curvas B:H, si el nu- Fig. 8 cleo es de hierro 0 de ~aterial magnetico. En el caso de aire, made-' ,·ra £tc. eS,tas curvas sobran 0 mejor dicho. ..!!.. = 1 • H . En la figura 10 hemos repetido la figura 57 de la parte pri rrera: Curvas B:H para :hierro ,(Solt Steel 'Castings). Hernos to- 11"ado el modelo empleado por una companla constructora,ameri cana•.Las absisas (H) de estas curvas estan en escala ,logarltmica para,' hacerlas mas ,amplias. Las curvas maxima'y minima no serefieren a 'muestras individuales, son los promeaios digamas de los 100 ensayes mayores para la maxima y. de los 100 me nores para la minima., Cuando debe usarse, una u otra,o la media, es materia del criterio del disenadoT, en cada caso. . ' ! I -' , Fig.:9 P~ra facilitar la co~v~~~i6~ d~ ,u~idades; en la fig. 10 hemos presentado, en, forma de cuadr.o, 'laldistin.tas equivalencias. .. ~ c ~ I() 1(1"- I). "/ '~' ~."'1-. ~ I;) .. \lc') '~ , ;:j ~ 0;) ~ ~ 1: ~ 'i" ' "". 'II ~" ,~ "- OIl ~ 0 ft) 1;)'f !:i ~ ~ ~. <:l ~ t '>'. ' ... ~ " ." ~,;:: ... ' .. '"Q.. } ~ '" '" ~ ~ ~, 1:1 ~ ~ ~' .... '> " II~ I> t:,~ ~..::. Cl ~ 10 I., ~~ ~ ...' n 1/ 0/ ~ ~~ ~" , ~ ,I:; "I · ; •• ":':' 0.... "on .~ ~ { \l 1" 'I.... ',- ,"C) ~ .~ ~ ~ ~ ~ ,~ ,tQ ' ~ " ~ tt ,~ .§~.~ .. ~ ,,~~ ~ ~ ~ Ii I -<~v ~ --g (I , . ..Q 'l " C vr vO 's : 'a /i l /"C 7F a h ln F o ". . " l~ (J ~o '&. ., ~ <: ~" O 'm l" 'l' lo r w e/ fa O' ~j J. vl .l e/ ~s f< :h I am l'.v ve lIQ -1 ;w 1s Igd 6e l'l s / em -'1 (> 4 T 1 '''. 'sO dC l 0 ,3 '1 5 7 -1 I ' ' o ~ 4 9 ' S O -1 , 2. ; S 4 -( ) -1 • .2 :> 7 ~ o Ji S ': > o ' C 5 l< 'T V S S ' , 6"~ 4 5 '. t. .' /" ;' '' 'O J/ ,I >v ~' '' d' o~ ' Fi g~ EJEMPLO: La figura '11 muestra, un eilindro de' hierro eolado macizo que tiene un diametro de 6 em yuna longitud de 40 eentt metros. Se trata de produ cir en el. Interior de .es ta· varilla un f1ujo total de . Fig. II . 200 000 maxwells. . '.' . . Nosotros buscamos pri mero, la densidad requerida, que es el euociente de flujo total por la seecion 0 . sea en nuestro easo. 200 000,: 9n. '= 7 100 gausses aprox. Ahora bUBCamos en la Ei gura 10,en laeurva para hierrro eolado, euantos amperiosvuel. tas por em se neeesitan para producir esta densidad. En eontramos que son 36 ampe riosvueltas por em. . . . Por ser la longitud de nuestra barra 40 em.,entonees neeesitaremos en total 1440 amperios .vueltas. Para producir est08 1440 amperi08 vueltas podemos en '. volver alrededor de este eilln dro 1440 vueltas de un alam-' bre conductor delgado y haeer' pasar podn l' amperio; tam bien. podemos (teorieamente) darle una sola vU(l~ta .de un ~~---~---------~alambre muy grueso. y hacer " .z~ C17t ' pasar 1440 amperios. Supon Fig. 12 gamos que en nuestro .caso dispongamos de una intensi dad de 3 amperios, entonces te nemos q' dar480 vueltas y ha cer pasar en elias a amperios. EJEMPLO: La figura 12 nos muestra un anillo de'ace ro laminado, de secci6n cir cular(r=2cm.). con un diame tro interior de 15 em. y por consiguiente .diametro . exte~ rior de 23 em., con un espacio de sire de 2 mm. Se trata de pl'oduCir en ,,1 una densidad de 19000 gausses•. Primero buseamoseJmime . ro de amperiosvueltas necesa rios para excitar e1.metal.En la curva B (fig. 10) vemos que se necesitan 161 amperiosvuel~ tas por em. Lalongitud del 'imanesen este caso la circun~ Eerencia media menos 0.2 cm. Fig;; 13 o sea 9.5X2Xn-0.2= 59.66-0.2= 59.46 em. -9 Por consiguiente se necesitaran" . 161 X 59.46 = 9573 amperios vueltas. Ahora, para excitar e~tos mism?s 19000 gaussc:s en el espaelo de aire necesitamos una Clerta .canbdad de amperlOS vueltas que debem~s sumar a los encontrados.anteriormente. , Los computamos 41si:' , . B. I = 1.256 i.n (vease primera parte pag. 78) . 0 sea 19000 • 0,2 '" 1.256. i. n o sea unos 3030 amperlosvueltas. Entonces, necesitamos en .total ,12600 amperioll vueltall. . " . , Supongamo!l que la corriente de excitacion disponible sea'de 12 am perios, tenemos que envolver en;nues-' tro iman 1050 vueltas (de un alambre capaz de aguantar 12 amperios)alre- , dedor del hierro por supuesto. . \ Las Eigur41s 13 y 14 muestran \ la .marcha de Uneas m41gneticas en dispo sitivos que encontraremos mas .tarde al hablar de generadores y motoTes eledricos. . 'NOTA. En algunas curvas B:H ti. sadas en los talleres tec:nieos las abel- . sas estan divididas en gilberts:em• . Desde la primera parte sabemos que· 1 amperiovuelta : em. = 1.256 gIl berts : em. . , Fig. 14 . Un papel muy importantedesem- . . . peJian en los imanes teenieoslos Ee-' nomenos que Uamabamos de histeresis. Vimos que para eada valor de H tenemos dos valores de B. Ahora bien, en la tecnica oeurre con mucha Erecuencia que un pedazo de hierro se imana primero en un sentido y despues ,ef:!- otro (coniente alt-=rna). ~!' este easo se .gas ta un cierto trabaJo, no aprovechable en ImanaClon, en el camblo de orientacion de los imanes moleculares. Este trabajo estil geometri camente representado por la' . superEicie del cicio cerrado que Uamamos superficie de histere":' sis (superEicie ABCDA, figura 15) En eEecto, esta superficie re presenta trabajo, pues es el pro ducto de oersteds: por .gausses.· Utilizando la ecuaci6n de las dimensiones teenicas de estas tinidades, tenemos: superficie = atnp.vueltas: cm X voltseg lem 2 10 que da trabajo POl' unidad· de volumen.. . Claro que las 'perdidas de.· histeresis' aumentan con la Ere-, cuencia de ia corriente excita ,dora. FUERZA' PORTANTE DE UN IMAN.-Para calcular. la carga . que un iman es. capaz de 80S ,tener hacem'os el siguiente ra~ Fill, 15 zonamiento! http:e1.metal.En -. Por consiguiente se necesitaran' 161 X59.46 9573 amperios vueltas. Ahora, para excitar estos mismos 19000 gausses, en el espacio de aire, necesitamos una cierta' cantidad de amperios vueltas que debemos sumar a los encontrados,anteriormente. ' . Los computamos as.: . B. 1 1.256 i.n, (vease primera parte pag. 78) o Ilea 19000 . 0,2 = 1.256. i. n o sea unos 3030 amperiosvueltas. Entonces, necesitamos ·en ·total ,12600 amperios vueltas. , . Supongamoll que la corriente de excitacion disponible sea'de 12 am- . ,perios, tenemos que envolver en·nues-' tro iman 1050 vueltas (de un alambre capaz de aguantar 12 amperios) alre- .. . dedor del hierro por supuesto. " Las figuras 13 y 14 muestran \ la marcha de lineas magneticas en dispo sitivos que encontraremos miis;tarde aI, ha!>lar de generadores y _motore. electricos. . .; . 'NOTA. En algunas curvas B:H u~ sadas en los talleres tecnicos las abci sas' estan divididas en gilberts:cm. , Desde la primera parte sabemos que 1 amperiovuelta : cm. = 1.256 gil berts : cm. . .. Fig. 14 Un papel muy importantedesem peiian en los imanes tecnicoslos fe-' . nomenos que lIamabamos de histeresis. Vimos que para cada 'valor de H tenemos dos valores de B. Ahora bien, en la tecnica ocurre con Mucha frecuencia que un pedazo de hierro se ;mana primero en un sentido y despues en otro (corriente alterna). En este caso se gas ta un cierto trabajo; no aprovechable en imanaci6n, en el cambio de orientacion de los imanesmoleculares. Este trabajo esta lieometri camente representado por la . . 8uperficie del cicio cerrado que lIamamoil sU!lerficie de histere';' sis. (superficie ABCDA, figura 15) En electo, esta superficie re presenta trabajo, pues es el pro ducto de oerstedsporgausses.. Utilizando la ecuacion de las dimensiones tecnicas de .estns unidades, tenem08: 8uperficie = amp.vueltas: cmXvoltseg:cm 2 10 que dn trabajo por unidad· . de .volumen. . .. Claro que Insperdidasde histeresis aumentnn con la Ire-. cuencia de In corriente excita .dora•. FUERZA' PORTANTE DE UN IMAN.-Para calcular la carga que un imlm es capaz de sos •tener hacemos el siguiente ra:" Fill. 15 zonnmiento: \, ......:.... 10 Supongamos que e~tre el polo del iman ' y el polo opuesto de la armadura haya un pequeno intervalo de aire y queen este inter-' valo de aire exista la intensidadde cam DO H. Esta intensidnd de cam pO,se debe por la mitad, ala acdon del polo magneti<:o; pero la otra mitad, se debe ala accion del polo de la armadura. De suerte que el polo de la, armadura esta sometido en el campo de un iman opues to, ,s610 a la atraccion de m.H:2 dinas, y la armadura entera estara atrnida con la fuerza, '" ' , P == mH dinas Ahora bien, sillamamosel area del polo magnetico F, el flu jo total que s~le de este polo cp, y B su densidad magnetica, tendl'e mosq~ela intensidad de polo seram=<:p:4n, ademas q):=FB:Por ser B =H tendremos, transfolmando In ecuacion P mH 10 siguiente: B2F B2F p=-'--dinas=; kg ,4 7t' , 981000X4 ?t Esta formula indica pues,el peso que un i~an es capaz de so~ie ner si se canoce la seccion F de cada uno de sus polos y si se puede de terminar la densidad B del flujo que sale' de un polo (y, entra en e1 otro). , , La esenda de un' electroimiin es en si muy sendlla, pero sus a plicaciones son tan variadas que'no convieneen un ca,itulo especial indicarlas todas. Por esta razon dejaremossus 4plicaciones para pre sentarlas cuando naturalmente aparezcan en los distintos capltulos' (iristrumentos de medida, tetelrafo, generadores etc.) ,
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