Último Momento: ¡Polo Norte Busca a Polo Sur! (Magnetita).

Último Momento: ¡Polo Norte Busca a Polo Sur!

(Magnetita).

Unidad didáctica: Magnetismo

Profesor: Trapani Carlos

Alumnas: Agostina Bolasini y Eliana Millán 

2do cuatrimestre 2010

Último Momento: ¡Polo Norte Busca a Polo Sur!

(Magnetita).

Descripción del tema: En esta unidad didáctica se trabajará con el concepto de Magnetismo, que es la propiedad que tienen algunos cuerpos de atraer limaduras de hierro o acero.

Propósitos:

• Proponer a los alumnos actividades experimentales que incluyan la formulación de preguntas, la anticipación de resultados, la discusión de las variables involucradas, la manipulación instrumental, la observación, la utilización de registros y la discusión de resultados.

• Seleccionar temas de enseñanza que incluyan situaciones en las cuales sea necesario que los alumnos realicen observaciones cada vez más precisas y focalizadas.

Fundamentación: La manera en que está desarrollada esta unidad didáctica pone en evidencia el interés de buscar que los chicos sean participes de su propio aprendizaje, es decir, que sepan manejar los materiales y herramientas para tratar el tema en cuestión.

La utilización de elementos presentes en la vida cotidiana los acerca a su vez a la relación de los contenidos que se dictan en el colegio con su contexto, de tal manera que le puedan dar sentido a cada fenómeno que se les presenta.

Creemos que en este caso el trabajo colectivo es una herramienta indispensable tanto como para constatar y comparar diferentes opiniones como así también para llevar adelante las experiencias.

Contenidos:

•  Exploración de imanes y de sus efectos sobre distintos materiales.

- Identificación de los polos del imán. Atracción y repulsión entre los polos de los imanes.

•  Establecimiento de semejanzas y diferencias entre los efectos de la electrización y los de la imantación.

•  Búsqueda de información sobre el funcionamiento y la utilidad de la brújula.

Objetivo: Propiciar que los alumnos observen, por ejemplo, la diversidad de formas, tamaños e intensidades que presentan los imanes, y que adviertan que la acción de los imanes sobre los objetos se manifiestan a la distancia y a través de distintos materiales. Así como también, se busca que observen su funcionalidad para verlos reflejados en elementos de uso cotidiano.

Modalidad: Trabajos grupales e individuales.

Trabajo individual: registro narrativo gráfico.

Trabajo grupal: realizaciones de experiencias.

Intervenciones del docente para ampliar el vocabulario.

Puesta en común, ¿Qué descubriste? ¿Qué más te gustaría averiguar?

Solicitarles a los chicos, un dibujo/esquema para expresar sus ideas.

1-     Actividades: exploración sobre los imanes y los materiales.

2-     Materializar el campo magnético de un imán.

Primera fase: ¿qué es un imán?

Interacción de los imanes, con objetos de diferentes materiales.

Probar los imanes en monedas, llaves, maderas y que los chicos, luego de una explicación como: la moneda no se pega porque es vieja; la regla es de madera por eso el imán no se queda, está sucia y entonces el imán no se queda; puedan determinar donde se atraen los imanes.

Será aclarado que no es el tipo de objeto lo que determina si será atraído o no por el imán, sino el material con que está hecho, y que solo los ferromagnéticos son atraídos por los imanes.

Actividad 1

Objetivo: que los chicos conozcan y entiendan el concepto de imán y su funcionalidad a través de la experiencia.

Recursos:  

• una bolsa con diferentes objetos (construidos con un solo material; plástico, papel, metal, hierro, acero, cobre, aluminio etc.)

• un imán.

• un papel a modo de ficha de registro para apuntar predicciones, observaciones y conclusiones.

Procedimiento. (Modalidad de trabajo)

1. Los chicos retiran objetos que están dentro de la bolsa. Nuestras preguntas disparadoras pueden ser las siguientes: “¿Cuáles creen que serán atraídas por el imán? Antes de probar qué sucede con el imán anoten sus predicciones en la ficha, colocando los nombres de cada objeto en la columna que corresponda.
2. En una segunda instancia: “¿Qué criterios utilizaron para clasificar los objetos? ¿Pueden enunciar una regla acerca de qué será atraído por el imán? Escríbanla brevemente en la ficha.”
3. Luego, los chicos usan el imán para verificar sus predicciones, probando uno por uno todos los objetos. “A medida que lo hacen, completen la ficha con los resultados”.
4. Como cierre se preguntará, para corroborar sus predicciones, “¿En qué casos se cumplió lo que habían previsto? ¿En qué casos no? ¿Se cumplió la regla o piensan que deberían modificarla? Si es así ¿Cómo enunciarían una nueva regla? Escriban sus conclusiones en la ficha.”

Se llegará a la conclusión de que las cosas que serán atraídas tienen que ser de metal.

Segunda fase. ¿Cuán fuerte es un imán?

Actividad 2.

Objetivo: Para mejorar y ampliar su conocimiento sobre la cuestión de que la fuerza con que un imán atrae un cuerpo varía con la distancia entre el cuerpo y el imán, se mostrarán varios imanes diferentes y se preguntará cómo los ordenarían, de mayor a menor, en función de la fuerza que son capaces de ejercer sobre un objeto. ¿Cómo pueden verificar e incluso medir cuál de los imanes es más fuerte?

Medir la mínima distancia a que se puede acercar un clip sin que sea atraído.

Recursos:

• 2 o 3 imanes diferentes

• Clips

• Hoja cuadriculada.

Procedimiento. (Modalidad de trabajo)

1.      colocar el imán sobre la hoja cuadriculada. Ubicar el clip en otro lugar de la hoja, alejado del imán.

2.      lentamente acercar el imán al clip, registrar la distancia (en cuadraditos) a la que el clip comienza a ser atraído.

3.      repetir con otro imán.

Actividad 3.

Contar cuantos clips pueden colgarse “en cadena” de un imán.

Recursos:

• 2 o 3 imanes diferentes.

• Clips

Procedimiento: (Modalidad de trabajo)

1. armar una cadena con dos clips, otra con tres clips, etc.
2. probar cuales de ellas se mantienen adheridas cuando se suspenden del imán.
3. registrar cual es la mayor cadena, sostenida por el imán.
4. repetir con un imán diferente.

Tercera fase: ¿Puede fabricarse un imán?

Actividad 4. Fabricando Imanes.

Objetivo: Se espera que los chicos sean capaces de aplicar lo aprendido anteriormente para que les sea más fácil la construcción de un imán.

Haremos que los chicos froten un trocito de hierro y comprueben luego que se comporta como un imán. El objeto frotado puede ser un clavo o aguja. El procedimiento de imantar una aguja será útil, más adelante para construir una brújula y observar como se orienta en el campo magnético terrestre.

Recursos:

• un imán

• un trozo de hierro (puede ser también un clavo o aguja)

• un clip

Procedimiento (Modalidad de trabajo)

1. Tocá el clip con el trozo de hierro. ¿Qué sucede?
2. Tomá ahora el trozo de hierro con una mano. Con la otra, frotá el imán sobre el trozo de hierro.
3. Repetí el segundo paso al menos veinte veces, frotando siempre en el mismo sentido y en toda la longitud del trozo de hierro.
4. Tocá otra vez el clip con el trozo de hierro. ¿Qué sucede?

Cuarta fase: ¿Dónde es más fuerte el imán?

Actividad 5 Imán flotante.

Objetivo: Que los chicos comprendan que la fuerza que ejerce el imán no es igual a lo largo de toda su superficie, sino que se concentra especialmente en algunas zonas, que constituyen sus polos.

Recursos:

• Una aguja (puede ser también un clip enderezado)

• un objeto pequeño y plano, que flote en el agua (como un corcho, o un trocito plano de telgopor).

• un recipiente de 20 a 30 centímetros de ancho, con 2 o 3 centímetros cúbicos de agua.

Procedimiento (Modalidad de trabajo)

1. transformá la aguja en un imán, siguiendo los pasos de la actividad “fabricando imanes”.
2. fijá la aguja al telgopor o el corcho y colocalos en el agua de modo que floten.
3. esperá un momento y observa ¿Qué sucede con la aguja?
4. con el recipiente en tus manos, girá en distintas direcciones o caminá hacia delante o hacia atrás. Observa qué pasa con la aguja.
5. acercá un imán a la aguja. ¿Qué sucede?

En otra actividad, podrán indicar si los polos de los imanes son polos Norte o Sur tomando como referencia una brújula y la construída por ellos.

Evaluación: Se evaluará a los chicos durante el desarrollo de esta unidad didáctica. Como así también, se buscará que sean capaces de aplicar lo aprendido en la última actividad y que, por lo tanto, puedan justificar práctica y teóricamente la experiencia realizada.

Reseña conceptual

Magnetismo y electricidad

Reseña: Magnetismo y electricidad

·        ¿Qué es un imán?

·        ¿Qué es magnetismo?

·        ¿Cómo la electricidad produce magnetismo?

El magnetismo constituye uno de los fenómenos más atractivos y misteriosos conocido desde la antigüedad, en un principio se manifestó por medio de la atracción que ejercían ciertas piedras llamadas imanes sobre algunos materiales específicos como el hierro, el níquel y el cobalto. Hoy día se sabe que toda la materia presenta propiedades magnéticas en determinadas condiciones y existen diferentes tipos de magnetismo y variables magnéticas que lo caracterizan. Se hace referencia aquí a las manifestaciones más elementales de los imanes.

¿Qué es un imán? Piedra de Hércules fue uno de los nombres que los griegos le dieron a esta piedra misteriosa. Piedra de Magnesia fue otro, debido a la abundancia de este mineral en esta zona del Asia menor; para los latinos el nombre utilizado fue magnes de donde se deriva la palabra magnetismo, palabra utilizada hoy para designar la propiedad del imán de atraer a otros materiales y a todo el conocimiento acerca de ella. Los imanes naturales son piedras de un óxido de hierro llamado Magnetita(Fe 3 O 4 ), que han adquirido la propiedad de atraer a algunos elementos tales como: hierro, cobalto níquel, gadolinium, dysprosium o aleaciones de estos elementos.

A estos materiales se les da el nombre de ferromagnéticos y con ello se diferencian de otros materiales con propiedades magnéticas menos fuertes como son los diamagnéticos y paramagnéticos. 

Fue Guillermo Gilbert quien reunió los conocimientos que su época poseía sobre los fenómenos magnéticos, y agregó a los mismos el valioso caudal de sus propios experimentos, determinando las características más interesantes de los imanes.

Características de los Imanes. Se orientan en una dirección específica del espacio cuando son suspendidos adecuadamente. Si colgamos cualquier imán en el espacio por medio de un hilo se observa que adquiere una orientación especial: una parte del imán se orienta aproximadamente hacia el norte geográfico y la otra se orienta hacia el Sur. El lado que se orienta hacia el norte se denomina polo norte del imán y el lado que se orienta hacia el sur se denomina polo Sur. Esta característica dio origen a la Brújula , instrumento construido con una pequeña aguja imantada que puede girar alrededor de un eje de rotación que pasa por su centro geométrico.

a)  Los imanes poseen dos zonas llamadas polos del imán, las cuales presentan una fuerte propiedad atractiva o repulsiva dependiendo del objeto con el que interactúan.
Por ejemplo: Entre imanes se puede observar que los polos del mismo nombre se repelen y polos de nombre diferente se atraen, como se observa en la siguiente animación.

	Pero cuando un imán es acercado a un trozo de hierro o algún otro material ferromagnético se observa que hay siempre atracción entre ellos y ella es más fuerte cuando el material ferromagnético se acerca a los polos.
b)  Poseen una zona intermedia donde las propiedades atractivas sobre los materiales ferromagnéticos se debilitan, esta es la zona neutra del imán. Como se puede ver en la siguiente figura, en esa zona no hay clavos. c)  Si se fracturan en dos partes se obtienen dos imanes de nuevo. Hasta ahora no ha sido posible separar los polos de un imán y aislarlos, los imanes son siempre bipolares y por esta razón en magnetismo, se habla siempre de dipolos magnéticos.
d)  Pierden la propiedad de atraer cuando se calientan a cierta temperatura. Existe una temperatura donde el magnetismo desaparece. El clavo de hierro que es atraído por el imán en la figura, pierde su imantación al ser calentado con el mechero a 770°C.
	Campo magnético de los imanes Gilbert se dio cuenta que el magnetismo de los imanes no residía en el imán solamente, sino también en el espacio que rodea al imán, creando así las bases del concepto de campo magnético de un imán. Esta afirmación es visualizada si se colocan pequeñas virutas de hierro sobre la cara de una hoja de papel y por la cara contraria se coloca un imán; dependiendo de la forma del imán se observará que las virutas se alinean en el espacio, según líneas imaginarias que Michel Faraday llamó líneas de fuerza.
Magnetismo terrestre. La Tierra, se preguntó William Gilbert, ¿no sería un inmenso imán? Gilbert dio los pasos para entender por qué una brújula se orienta en la dirección Norte Sur. Pensó que la Tierra necesariamente debe comportarse como un imán gigante cuyo polo norte magnético debe atraerse con el polo sur de la brújula y viceversa, el polo sur magnético de la Tierra debe atraer al polo norte de la brújula.
Para verificar esta hipótesis, el incansable experimentador construye un imán esférico, su famosa Microgé (Tierra minúscula), y al aproximar a su imán, una pequeña aguja magnética móvil en torno de su centro de gravedad, muestra que ésta se comporta igual que una brújula de inclinación (brújula que mide el ángulo de inclinación del campo magnético de la Tierra con respecto a la horizontal) suspendida en el plano de un meridiano de la Tierra.
	Gilbert creyó que los polos magnéticos del globo coincidían con los geográficos, sin embargo, La brújula no apunta siempre hacia el norte geográfico, de esto ya se habían percatado los chinos en el siglo XII antes de Cristo y hoy día se sabe que el polo norte geográfico está en un lugar diferente al polo magnético (polo sur magnético) hacia el que apunta una brújula. El polo norte geográfico está en Groenlandia y el polo magnético está en las Islas Reina Elizabeth.
Según Paul Hewitt, no se sabe a ciencia cierta por qué la Tierra es un imán. La configuración del campo magnético terrestre es como la de un potente imán de barra colocado cerca del centro del planeta. Pero la Tierra no es un trozo de hierro magnetizado como el imán de barra. Está demasiado caliente para que los átomos individuales perma­nezcan alineados. Las corrientes que fluyen en la región ígnea de la Tierra, bajo la corteza, constituyen una mejor explicación del campo magnético terrestre.
La mayoría de los estudiosos de las ciencias de la Tierra piensan que el campo magnético terrestre se debe al movimiento de partículas cargadas que giran en el interior del planeta. Dado el gran tamaño de la Tierra, la rapidez de las partículas cargadas tendría que ser menor que un milímetro por segundo para producir el campo. Otra posible explicación del campo magnético terrestre son las corrientes de convección que se originan debido al calor del núcleo (Ver figura).
El calor de la Tierra se debe a la energía nuclear que se libera en el proceso de decaimiento radiactivo. Tal vez el campo magnético de la Tierra sea producto de la combinación de las corrientes de convección con los efectos de la rotación terrestre. Pero se requieren otros estudios para establecer una explicación más firme. Sea cual sea su causa, el campo magnético de la Tierra no es estable, sino que se desplaza en el curso de las eras geológicas. Las pruebas de este hecho vienen del análisis de las propiedades magné­ticas de los estratos rocosos. Los átomos de hierro en estado de fusión tienden a alinearse con el campo magnético terrestre. Cuando el hierro se solidifica la dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas. Podemos medir el leve magnetismo resultante por medio de instrumentos muy sensibles. Así, midiendo el magnetismo de diversas muestras de roca provenientes de estratos que se han formado en periodos distintos podemos elaborar mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Los rastros que quedan en las rocas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse. Durante los últimos 5 millones de años se han efectuado más de veinte inversiones. La más reciente data de hace 700 000 años. Otras inversiones anteriores ocurrieron hace 870 000 y 950 000 años. Los estudios de sedimentos del fondo del océano indican que el campo estuvo prácticamente inactivo durante unos 10 000 o 20 000 años hace poco más de 1 millón de años. Ésta es la época en que surgieron los seres humanos modernos. No podemos predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión por­que la secuencia no es regular. Pero ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magné­tico de la Tierra en los últimos 100 años. Si el cambio se mantiene es muy posible que el campo vuelva a invertirse en menos de 2000 años.

Electricidad y magnetismo: ¿Qué es la inducción electromagnética?

La corriente eléctrica puede crear efectos magnéticos. Si una corriente eléctrica variable transita por un cable, una brújula que esté cerca de dicho cable se verá desviada. Dicho de otro modo, una corriente eléctrica variable (cargas eléctricas moviéndose aceleradas) puede producir un campo magnético. Este fue el primer vínculo que se descubrió entre electricidad y magnetismo.

En realidad, fue un descubrimiento casual. Hans Christian Oersted fue un físico danés al que le encantaba ofrecer demostraciones en las clases a sus estudiantes.

Hans Christian Oersted (1777-1851)

Un día, mientras estaba trasteando en un gran escritorio lleno de equipo frente a una clase, observó que cada vez que conectaba una batería a un circuito, la aguja de una brújula en las inmediaciones se movía. Este accidente fue la base de lo que puede que haya sido uno de los más importantes descubrimientos prácticos jamás realizados.

La gran ventaja de un electro-imán es que puede ser conectado y desconectado. Un electro-imán es una vuelta (o vueltas) de hilo a través del cual fluye una corriente eléctrica. La electricidad produce un campo magnético: cuantas más vueltas tenga el hilo ( y más fuerte sea la corriente), más fuerte será el campo.

Así, las vueltas de hilo se comportan exactamente igual que un imán ordinario, y pueden alzar piezas de metal como cualquiera de ellos. La fuerza del imán puede ser ajustada regulando la cantidad de corriente que pase por el hilo.

Por ejemplo, en los depósitos de chatarra vemos a menudo que son usados imanes para alzar coches. Cuando la corriente pasa a través del imán, el coche es atraído y el imán, normalmente suspendido de una grúa, puede alzarlo. Cuando el operador desea dejar caer el coche, corta la corriente. Tan pronto como la corriente se detiene, las vueltas de hilo dejan de actuar como un imán y el coche deja de ser atraído hacia él. La fuerza de la gravedad (que ha estado siempre ahí) toma de nuevo las riendas y el coche cae.

Los campos magnéticos pueden causar efectos eléctricos. Ésta es otra conexión entre electricidad y magnetismo. Si movemos un imán en torno de unas vueltas de hilo, o si hacemos girar estas vueltas cerca de un imán, por las vueltas del hilo fluirá una corriente eléctrica, aunque no haya ninguna fuente de voltaje.

Este fenómeno, conocido como “inducción electromagnética“, fue descubierto por Michael Faraday (1791-1867) e hizo posible nuestra sociedad moderna movida por la electricidad.

Hay una conexión entre la estática que se aferra a nuestras ropas y un imán que sujeta una nota en la puerta de nuestro refrigerador, como la hay en todos los fenómenos eléctricos y magnéticos. De hecho, el descubrimiento de esta conexión marca uno de los momentos cumbres de la física del siglo XIX.

Lo que sabemos hoy es que electricidad y magnetismo son simplemente aspectos distintos de la misma fuerza fundamental, a la que llamamos fuerza electromagnética.

Motor por inducción electromagnética
Videos interesantes:

http://www.youtube.com/watch?v=1PuL-Zh8PPk&feature=fvst
http://www.youtube.com/watch?v=Dbo8ovHRZFU
http://www.youtube.com/watch?v=zOdboRYf1hM&feature=related