Práctica 1 - Levitación magnética - Descripción del experimento PDF

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La levitación magnética es una aplicación física con inmensos beneficios en todos los campos. Nuestra generación debe incurrir en la implementación de ésta a gran escala para mejorar la condición de vida de la sociedad y el desarrollo integral del país....

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE

Práctica #1 Levitación Enriquez Valverde Daniel Laboratorio Termodinámica Técnica Grupo #2 – Miércoles 14:30-16:00 Docente Teoría: Ing. Eduardo Invernizzi Belmar

Docente Laboratorio: Dr. Gustavo Calderón Valle

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E

DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE

OBJETIVO. Levitar magnéticamente un objeto de dimensiones pequeñas a aproximadamente 20 centímetros de una superficie por un tiempo relativamente corto.

EQUIPO.1. 2. 3. 4. 5.

Imanes de Neodimio. Platillo de dimensiones pequeñas. 2 bases de cartón. 1 imán de volante. 1 plataforma de plástico.

FUNDAMENTO TEÓRICO.Electromagnetismo.El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales ( corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell. El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica. El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Historia.Desde la antigua Grecia se conocían los fenómenos magnéticos y eléctricos pero no es hasta inicios del siglo XVII donde se comienza a realizar experimentos y a llegar a conclusiones científicas de estos fenómenos.1 Durante estos dos siglos, XVII y XVIII, grandes hombres de ciencia como William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Voltaentre otros estuvieron investigando estos dos fenómenos de manera separada y llegando a conclusiones coherentes con sus experimentos.

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE A principios del siglo XIX Hans Christian Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. De ahí es que los trabajos de físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday en ese siglo, son unificados por James Clerk Maxwell en 1861con un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, como un fenómeno electromagnético. Las ahora llamadas ecuaciones de Maxwell demostraban que los campos eléctricos y los campos magnéticos eran manifestaciones de un solo campo electromagnético. Además describía la naturaleza ondulatoria de la luz, mostrándola como una onda electromagnética. Con una sola teoría consistente que describía estos dos fenómenos antes separados, los físicos pudieron realizar varios experimentos prodigiosos e inventos muy útiles como la bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison o el generador de corriente alterna por Nikola Tesla. El éxito predicitivo de la teoría de Maxwell y la búsqueda de una interpretación coherente de sus implicaciones, fue lo que llevó a Albert Einstein a formular su teoría de la relatividad que se apoyaba en algunos resultados previos de Hendrik Antoon Lorentz y Henri Poincaré. En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de la mecánica cuántica, el electromagnetismo tenía que mejorar su formulación con el objetivo de que fuera coherente con la nueva teoría. Esto se logró en la década de 1940 cuando se completó una teoría cuántica electromagnética o mejor conocida como electrodinámica cuántica.

Levitación magnética.-

Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, que explicaremos más adelante, que es una propiedad inherente a los superconductores. La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad.

Efecto Meissner.El Efecto Meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 (a veces se llama, más justamente, Efecto Meissner-Ochsenfeld), y consiste en que cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo en el interior del superconductor el campo magnético se anula. Básicamente, los electrones modifican sus órbitas de modo que compensan el campo magnético externo de modo que en el interior, el campo sea nulo. No vamos a entrar en mucha profundidad en las causas, pero tiene que ver con el hecho de que, suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica - esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero. Este efecto puede utilizarse para producir “levitación magnética”: Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él. Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire. Se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia. Por tanto un objeto estará bajo levitación magnética cuando la fuerza generada por la repulsión electromagnética es lo suficientemente fuerte para equilibrar el peso del objeto.

Utilización actual de levitación magnética.Juguetes Maglev.Originalmente desarrollado en laboratorios, algunos objetos magnéticos levitantes han sido puestos en el mercado como Hi Tech, juguetes para niños de todas las edades. En este momento podemos encontrarnos:  Trenes Maglev y rieles: Un completo kit con el tren y pistas. Ensamblar es necesario, pero la vista del tren de velocidad, mientras que flota sobre la pista parece que vale la pena el esfuerzo.  Suspendido de objetos: relojes, pelotas de golf, marcos para cuadros, coches de colección, globos y otros objetos se pueden encontrar flotando en el aire gracias a la tecnología de levitación magnética. Micro-robot volador que se mueve gracias a la levitación magnética.Ingenieros de la universidad canadiense de Waterloo han creado un micro-robot que vuela. Según sus creadores, se trata del primero de estas características del mundo. Una de sus Página 4

DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE principales características es que se mueve gracias a la levitación magnética, de un modo similar a como hacen los famosos trenes maglev. Además, gracias a su tamaño tiene la particularidad de poder introducirse, literalmente, en cualquier espacio. Esto lo hacen perfecto para muchas funcionalidades, muy complicadas de hacer hasta el momento, como ensamblar pequeños dispositivos, manipular materiales potencialmente peligrosos e incluso llevar a cabo operaciones de microcirugía. Los trenes Maglev.La levitación magnética (Maglev) es famosa por sus usos en el transporte, sobre todo los trenes. Alemania y Japón son pioneros en el desarrollo de los trenes Maglev. Japón y China tienen los trenes Maglev comerciales en uso en este momento. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril e impulsarse a lo largo de un carril-guía.

OBSERVACIONES.1. Durante la práctica fue evidente la necesidad de varios intentos para hacer levitar el platillo. 2. La nivelación de la mesa de trabajo es esencial para que el platillo levite apropiadamente. 3. El costo de un levitador chino ya armado es de aproximadamente 100 dólares americanos; el costo de hacer un levitador casero es de aproximadamente 60 bolivianos.

CONCLUSIONES.-

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DANIEL ENRIQUEZ VALVERDE En conclusión, la levitación magnética es una aplicación física con inmensos beneficios en todos los campos. Nuestra generación debe incurrir en la implementación de ésta a gran escala para mejorar la condición de vida de la sociedad y el desarrollo integral del país.

CUESTIONARIO. ¿Qué es el efecto Meissner? El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica.

BIBLIOGRAFÍA. http://levimagne.blogspot.com/2009/05/levitacion-magnetica.html  http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo

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