Asociados

eligeeducar

Hosting proporcionado por
dk

 

Problema:

Observe primero el siguiente fenómeno que puede ser fácilmente realizado en la sala de clases:

a) deje caer un pequeño imán por el interior de un tubo delgado de plástico o PVC y compruebe aproximadamente que la caída ocurre con similar rapidez que la caída libre de cualquier objeto.

b) deje caer luego el mismo imán por el interior de un tubo metálico no ferromagnético (p. ej., cobre o aluminio), cuyas características geométricas sean similares al tubo utilizado en la parte a), y compruebe que ahora la aceleración es mucho menor, como si el imán cayese dentro de un líquido viscoso.

¿A qué se debe esta especie de "viscosidad" magnética que tiende a frenar al imán dentro del tubo metálico? ¿Puede dar usted una sencilla interpretación de este fenómeno apoyándose en las leyes de la física? Explique.

Solución:

a) En el interior del tubo de PVC el pequeño imán no sufre ninguna interacción con el tubo, salvo el roce mecánico, de manera que si el tubo está en posición vertical, prácticamente no hay roce con las paredes del mismo y el imán cae con igual aceleración que en caída libre.

b) No ocurre así en el caso que el tubo sea metálico (no ferromagnético!). Nos referimos en este caso a un tubo de cobre o aluminio, metales que no son ferromagnéticos, porque si el tubo fuese de fierro (latón, u otra aleación ferromagnética) el imán quedaría pegado al tubo por interacción magnetostática y no caería de partida. ¿Qué ocurre entonces en el cobre o el aluminio? Con estos metales no hay interacción magnetostática, pero sí hay interacción electromagnética.

¿En qué consiste esta diferencia? En el cobre o el aluminio no existen dominios ferromagnéticos que puedan orientarse y magnetizar al material (como ocurre en el fierro), pero sí existen numerosos electrones "libres", responsables de su alta conductividad eléctrica, los cuales entran en interacción con el imán mientras éste cae por el interior del tubo. Esta interacción entre un campo magnético variable (el campo del imán en movimiento) y los electrones del metal responde a las Leyes de Maxwell del Electromagnetismo, entre las cuales se incluyen: la ley de inducción de Faraday, la Ley de Ampere y la Ley de Lenz (además de las leyes de Gauss). La primera de estas leyes indica que en un lugar donde un campo magnético sufre una variación, se induce allí mismo un campo eléctrico (o una "fuerza electromotriz ") el cual, habiendo cargas eléctricas en libertad de moverse, actuará sobre éstas y generará una corriente "inducida". Así, la caída del imán por el interior del tubo genera, en cada lugar por donde va pasando, pequeñas corrientes inducidas ("corrientes parásitas" o "de Foucalt"), cuyas intensidades crecen al acercarse el imán y disminuyen cuando éste se aleja. Se trata de corrientes circulares, que dan vuelta transversalmente alrededor del tubo, como si éste fuese un anillo. Ahora bien, debido a la Ley de Ampere, estas corrientes así generadas van a su vez acompañadas de un campo magnético circular alrededor de ellas, cuya intensidad es proporcional a las corrientes que lo generan. Finalmente, la Ley de Lenz indica que este campo magnético secundario se opone siempre a la variación del campo magnético original. Así, el campo magnético inducido por las corrientes parásitas, en cada sección del tubo por donde va pasando el imán, apunta en contra del campo del imán cuando éste se acerca, porque se opone al aumento de H, y en contra del campo del imán cuando éste se aleja, porque se opone a su disminución. O sea, tanto en la fase de acercamiento como de alejamiento en cada sección del tubo el campo magnético inducido se opone al movimiento del imán, lo cual se traduce en una fuerza hacia arriba que contrarresta parcialmente a la fuerza de gravedad, reduciendo la aceleración de caída, como si se tratase de un objeto que cae por el interior de un líquido viscoso. Desde el punto de vista energético, la diferencia entre la energía cinética y la potencial se gasta en movilizar las cargas eléctricas en el metal y se disipa en forma de calor.

Comentario: Este efecto, que algunos llaman "viscosidad magnética", aunque no tiene nada que ver con líquidos viscosos, es fácilmente visible y se recomienda hacer el experimento demostrativo en clase al tratar el tema de inducción electromagnética. Nótese que el resultado no depende de la posición inicial con que se introduce el imán dentro del tubo, ya sea que vaya con su momento magnético apuntando hacia arriba o hacia abajo. La mejor respuesta al problema planteado en esta oportunidad fue recibida de parte del señor SEBASTIAN URRUTIA QUIROGA, estudiante del Instituto La Salle, Chile, a quien felicitamos por su correcta y oportuna participación. PROFISICA agradece a todos los participantes y los anima a seguir participando en este concurso que premia al ganador con un texto de Física General donado por Editorial Pearson (a elección entre los que figuran en la sección Premios).

Ganador: Sebastián Urrutia Quiroga, estudiante, Instituto La Salle

Problema propuesto por el profesor Jorge Ossandon
Octubre 2007