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Historia F+Q

Enseñando física y química a través de su historia. Un blog colaborativo de los alumnos del Master de Secundaria

Categoría

2ºBac_F_Bloque 3. Interacción electromagnética

¿Cómo volaran los coches en el futuro? 🚗 El efecto Meissner

El efecto Meissner-Ochsenfeld fue descubierto por los físicos alemanes Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, unos 12 años después de haberse descubierto la superconductividad (en 1911).

Este efecto consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica.

Ahora bien… ¿Que es un superconductor

Un superconductor es un material que deja pasar la electricidad con una facilidad increíble. Tanto que prácticamente no pierde energía (en forma de calor o luz, como en las bombillas). Deja pasar tan bien la electricidad y los electrones que su naturaleza interna provoca un efecto extraordinario en los campos magnéticos: los repele de una forma casi perfecta, de manera que “evitan” al material, envolviéndolo.

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Superconductor en presencia de un campo magnético

Meissner y Ochesenfeld midieron la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica. Esto lo hicieron en presencia de un campo magnético y encontraron que dicho campo se anulaba completamente en el interior del material.  A su vez, observaron que las líneas de campo magnético eran expulsadas del interior del material superconductor y que por lo tanto se comportaba como un material diamagnético perfecto.

La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura como el que se muestra en la figura. 

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Efecto Meissner

El superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria, de modo que ‘sujeta’ al otro imán sobre él sin que pueda posarse encima, expulsa el campo magnético del imán haciendo que levite.

Vídeo que ilustra el efecto Meissner

Utilizando el proceso de levitación de un material superconductor sobre un imán se están desarrollando prototipos de vehículos que se desplazan levitando sobre circuitos creados con imanes permanentes. Si los materiales superconductores del vehículo se enfrían a una altura sobre la vía, el sistema se mantendrá levitando a esa altura mientras se mantengan fríos. Como el campo magnético es igual a lo largo de todo el circuito, el vehículo se podrá desplazar libremente a lo largo de la vía sin ningún tipo de rozamiento.

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Tren por levitación magnética

 

Actividad

El objetivo de la actividad es realizar una práctica en el laboratorio que facilite la comprensión de la superconductividad y del efecto Meissner. En la guía de la práctica que se facilita al alumnado se especifica el material a emplear, los pasos a seguir y las medidas de seguridad.

El material necesario para realizar la práctica es el siguiente:

  • Imán
  • Superconductor (oxido de Ytrio, bario y cobre)
  • Nitrógeno liquido
  • Recipiente resistente al nitrógeno líquido (Dewar)

De manera resumida los pasos a seguir consisten en:

  1. En un recipiente Dewar se coloca el material superconductor.
  2. A continuación se coloca encima de este material un imán. 
  3. Con mucha precaución y siguiendo las medidas de seguridad indicadas en el guión de prácticas, se añade el nitrógeno liquido en el interior del Dewar.
  4. Deberíamos observar como el imán ‘levita’.

Tarea a desarrollar por parte de los alumnos:

Una vez realizada la práctica, los alumnos deberán preparar una memoria de no más de dos hojas que incluya:

  • Una introducción al efecto Meissner
  • Una descripción del equipamiento utilizado para el experimento
  • Descripción del fenómeno observado
  • Aplicaciones de la superconductividad.

Competencias a adquirir por parte de los alumnos: 

  1. Saber describir e interpretar científicamente un fenómeno físico en base a conocimientos teóricos
  2. Organizar y planificar el trabajo
  3. Saber buscar información relevante a través de la red y usar bases de datos bibliográficas
  4. Manejar documentación especializada (libros, revistas y publicaciones) y ser capaces de leer críticamente trabajos científicos
  5. Elaborar adecuadamente y con cierta originalidad composiciones escritas o argumentos familiarizado con la instrumentación científica necesarias para el trabajo en un laboratorio de investigación
  6. Adquirir nociones básicas de superconductividad

 

Bibliografía

Pérez, R. (junio, 2011). El efecto Meissner y la levitación magnética. Epistemus; ciencia, tecnología y salud. 49 (10).

Díaz, V. Pérez, J.L. (enero, 1998). Fundamentos para el uso mecánica del efecto Meissner. Anales de Física. 94 (1)

 

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La Revolución de Faraday

Michael Faraday es uno de los físicos experimentales más importantes de la historia. Faraday nació en el seno de una familia muy humilde a finales del siglo XVIII por lo que no tuvo acceso a una educación de calidad. Cuando empezó a trabajar como encuadernador de libros tuvo la oportunidad de leer los documentos sobre los que trabajaba y formarse de forma autodidacta. Gracias a estas lecturas y sus asistencias a las charlas de la Royal Institution, obtuvo una formación que le permitió empezar a colaborar con el distinguido científico Humphry Davy. Una vez tuvo acceso a un laboratorio pudo desarrollar los experimentos que le llevarían a cambiar el mundo.

Durante este tiempo, el científico Christian Oersted había experimentado con corrientes eléctricas observando que estas afectaban al movimiento de las brújulas. Más tarde, Ampere demostró que una corriente circulando a través de una espira se comporta del mismo modo que un imán. Fue entonces cuando Faraday interesado por estos hechos desarrollo un simple experimento con el consiguió transformar una corriente eléctrica en movimiento a través de la interacción con un imán. Así se creó el primer motor eléctrico.

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Continuando con este camino, Faraday se preguntó si al igual que la electricidad podía generar magnetismos, se podría realizar el proceso inverso.  Con otro sencillo experimento demostró que al acercarlo alejar un imán a un circuito el medidor mostraba una corriente, demostrando así que es la variación de magnetismo lo que genera una corriente. Esto se conoce como inducción magnética y es el origen de los generadores eléctricos.

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Tras estos descubrimientos Faraday estaba convencido de que electricidad y magnetismo estaban relacionados y sus ideas se focalizaron la búsqueda de esta interacción. Así fue el primero en vislumbrar lo que hoy conocemos como campos. Hasta entonces se creía que las fuerzas interaccionaban a distancia sin nada que mediase y de forma instantánea. Esto no tenía sentido para Faraday. Él entendía que debía haber algo que se propagara de la fuente al cuerpo a esto las llamó líneas de campo como cuando las virutas de hierro están cerca de un imán. Estas ideas hicieron que Faraday fuese un adelantado a su tiempo, ya que décadas después se demostró que esta teoría era cierta.

Para acabar aquí os dejo una cita del mismo Faraday que en mi opinión ejemplifica el pensamiento científico: “La gran belleza de nuestra ciencia estriba en que un descubrimiento, por grande o pequeño que sea, en lugar de agotar el tema de investigación, abre las puertas a otro conocimiento más profundo y más amplio en desbordante hermosura y utilidad”

ACTIVIDADES.

-Pon varios ejemplos de tecnología actual que se basa en los experimentos de Faraday.

-Investiga cuál fue el físico que culminó la teoría de Faraday y es el padre del electromagnetismo ampliando conceptos.

-Realiza uno de los motores eléctricos que se exponen en el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=voHz6sxwQ2Q

-Visualiza el vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=PQL3H42Kgvo

OBJETIVOS.

-Motivar al alumno en el ámbito científico poniendo a Faraday como ejemplo..

-Profundizar en los conocimientos sobre electromagnetismo.

-Desarrollar la independencia didáctica del alumno

-Acercar la física experimental al alumno.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN.

-Relación ciencia tecnología.

-Capacidad de búsqueda para ampliar los conceptos.

-Capacidad de relación practica-teórica

-Uso de lenguaje científico.

REFERENCIAS.

Augusto Belendez (2015) Faraday y la teoría electromagnética de la luz. Openmind

Nicolás Rivera (2014) Michael Faraday, el hombre que llevó la electricidad más allá. Hipertextual

Faraday, y Henry y Lenz.

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Pequeño tren magnético mediante inducción magnética, basada en la Ley de Faraday-Henry-Lenz

Introducción

Experimento de Faraday

Normalmente, cuando escuchamos inducción magnética, nos acordamos principalmente de la Ley de Faraday, como si Michael Faraday fuera el único impulsor de dicha fórmula. Sin embargo, hay otra persona que ha destacado este descubrimiento en la misma época, en 1831, pero “al otro lado del charco”: Joseph Henry. Si bien es cierto, que el descubrimiento de Faraday fue publicado antes, Henry lo descubrió de forma independiente, pero no se llevó el mérito al publicarlo un año más tarde. Eso no quita que Henry haya realizado otros descubrimientos importantes en el electromagnetismo.  Por último, cabe destacar la figura de Heinrich Lenz, apoyo fundamental de esta ley con la suya propia, la ley de Lenz (1834). La unificación de las tres investigaciones es la llamada LEY DE FARADAY-HENRY-LENZ.

Seguir leyendo “Faraday, y Henry y Lenz.”

¿De dónde viene ese calor?

  1. LEY DE JOULE

¿Por qué el secador de pelo expulsa aire caliente? ¿Qué está ocurriendo ahí dentro? Cambiemos de ejemplo. Pensemos en una plancha. Está enchufada a la red, sometida a un campo eléctrico. ¿Qué ocurre para que el acero emita calor y así quitemos las arrugas a la ropa diariamente? ¿Y las crujientes tostadas mañaneras? ¿Qué ocurre para que esos filamentos conductores de corriente eléctrica emitan calor, y así el pan pierda humedad y le dé esa característica textura de tostada?

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Una pregunta similar se planteó el físico inglés Joule allá por 1840, cuando observó que su motor eléctrico se calentaba. Él estaba convencido de que la potencia se transformaba en calor debido al paso de la corriente eléctrica.

Mediante una serie de experimentos que lleva a cabo, Joule confirma sus sospechas. Cuando se establece un campo eléctrico en un conductor, los electrones incrementan su energía cinética y chocan entre sí. El conductor tiene una resistencia al flujo de electrones. Así, la energía cinética se convierte en térmica, es decir calor. Con esto, enuncia la ley que lleva su nombre, la ley de Joule.

El calor es proporcional a la potencia que disipa el conductor y al tiempo, durante el cual se aplica el campo eléctrico:

 Q=P·t

Recordando la ley de Ohm, V=I·R y P=I·V

Q= I2·R·t proporcionaría el resultado en J (Joules/Julios)

Q=0,24· I2·R·t proporcionaría el resultado en cal (calorías)

Ten en cuenta las unidades para que las cuentas nos salgan perfectas:

I – intensidad de corriente eléctrica (A), R – resistencia (Ω), t – tiempo (s), P – potencia (W), V – voltaje o campo eléctrico (V), Q – Calor (J)

Por último, para convertir de J a cal o viceversa, tengamos en cuenta lo siguiente:

1J=0,24cal

1cal=4,18J

 

  1. ACTIVIDADES

Actividad de práctica 1: Por una plancha eléctrica de 30Ω de resistencia, circula una corriente de 4A al estar conectado a una diferencia de potencial de 120V. ¿Qué cantidad de calor, en J y en cal, produce en 5 minutos?

Actividad de práctica 2: ¿Qué cantidad de calor, en J y en cal, desprenderá una bombilla de 800Ω por la que circula una intensidad de corriente de 0,27A durante 3 minutos?

 

  1. OBJETIVOS
  • Comprender la conversión de energía eléctrica en calor.
  • Entender el principio de funcionamiento de algunos aparatos eléctricos de la vida diaria.
  • Valorar la importancia que tiene la energía eléctrica.
  1. CRITERIOS DE EVALUACIÓN
  • Es capaz de identificar conceptos y diferenciar parámetros de corriente eléctrica y calor.
  • Hace un uso correcto de las unidades de medida.

 

  1. BIBLIOGRAFÍA

Tipler, P. y Mosca, G. (2008) Corriente eléctrica y circuitos de corriente continua. En Reverté (6ª Ed.)Física para ciencia y la tecnología. Volumen 2. Electricidad y magnetismo/luz (pp.844-850)

Wikipedia. The free encyclopedia (s.f). Joule Effect. Recuperado el 23 de abril de 2017 de https://en.wikipedia.org/wiki/Joule_effect

Ainhoa Cordobés

Chuches, microondas y la teoría de la luz electromagnética de James C. Maxwell

imagen-foro-jc-maxwell-ruben-sa“Hace 150 años Maxwell publicó el artículo titulado A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Una teoría dinámica del campo electromagnético), del que previamente había enviado un breve resumen del mismo a la Royal Society el 27 de octubre de 1864. Una primera versión del trabajo fue leída por Maxwell ante esta sociedad el 8 de diciembre de ese año, evidentemente ni con la extensión ni con el contenido que luego tendría el artículo definitivo. Una vez Maxwell concluyó el artículo, lo remitió el 23 de marzo de 1865 a George Stokes, Secretario de Ciencias Físicas de la Royal Society, y tras varias revisiones fue aceptado el 15 de junio de 1865 para su publicación en Philosophical Transactions of the Royal Society y enviado el 16 de junio de 1865 a la imprenta de Taylor & Francis.

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Sincrotrón, el anillo de oro de la ciencia actual

“El sincrotrón Alba, como es conocido, es un acelerador de partículas no muy diferente al LHC de Ginebra, con el que se descubrió el bosón de Higgs. La nave industrial es en realidad un espacio tremendamente sofisticado en el que “maquinaria de dos toneladas se mueve con una precisión de micras”, según explica Joan Casas, jefe de ingeniería de Alba. Esos equipos tienen como objetivo acelerar electrones a una velocidad cercana a la de la luz. Para lograrlo, es necesario colocarlos en un conducto circular por el que son acelerados siguiendo una trayectoria curva a la que les empujan los imanes que rodean el circuito. El objetivo de esta parafernalia descomunal es la producción de finísimos haces de rayos X de alta intensidad capaces de penetrar la materia sin dañarla para iluminar su interior y desentrañar sus secretos. Seguir leyendo “Sincrotrón, el anillo de oro de la ciencia actual”

Faraday: primer motor eléctrico

“¿Ven el motor eléctrico? Sí, ese que encontramos, por ejemplo, en un ventilador. Sin Michael Faraday y sus primeros trabajos sobre la rotación electromagnética, probablemente no habrían existido (o habrían tardado más en llegar).

Básicamente, Michael Faraday, partiendo de los descubrimientos de Hans Christian Ørsted (que afirmaba la existencia de una relación entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos), consiguió hacer que un metal se moviera circularmente alrededor de un campo electromagnético. En el siguiente vídeo, podrán ver el experimento concreto que hizo Faraday y que, como ya he dicho, supondría el inicio de los motores eléctricos.” Texto extraído de https://hipertextual.com/2014/07/michael-faraday

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Fragmento del cuaderno de laboratorio de M. Faraday en el que se puede apreciar un boceto de la experiencia del primer motor eléctrico. Seguir leyendo “Faraday: primer motor eléctrico”

La jaula de Faraday

“Michael Faraday no se encontraba entre los más beneficiados. De hecho, el británico solo recibió una educación básica. No obstante, su curiosidad nata le llevó a leer una gran cantidad de libros de diversas temáticas (especialmente aquellas relacionadas con la ciencia), formándose a sí mismo a pesar de no estar cursando estudios “formales”.setien

Seguir leyendo “La jaula de Faraday”

Ondas electromagnéticas. Velocidad de la luz.

     La radiación electromagnética es la energía que se transmite a través del espacio en forma de ondas, ondas electromagnéticas, formadas por un campo eléctrico y otro magnético oscilantes y perpendiculares entre sí y a su vez a la dirección de propagación.

     Sabemos que en el vacío estas ondas se propagan a la velocidad de la luz que recorre  2.9979 x 108 m/s y que su velocidad es inferior si lo hace a través de un medio material. No todas las radiaciones electromagnéticas tienen la misma longitud de onda sino que  esta se extiende a lo largo de un intervalo muy amplio conocido como espectro electromagnético cuyas regiones, a groso modo, van desde las más energéticas, rayos gamma, hasta las menos, ondas de radio y televisión, pasando por la región que nos es más conocida o familiar, el visible. Dicho valor no es más que el cociente entre la longitud de onda y la frecuencia: c=λ/υ Seguir leyendo “Ondas electromagnéticas. Velocidad de la luz.”

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