martes, 30 de noviembre de 2010

Parte 10: Inducción

Hasta ahora, habíamos considerado por separado los campos eléctrico y magnético. El campo eléctrico es generado por cargas, y el campo magnético por cargas en movimiento. Sin embargo, en un nivel muy profundo, los campos eléctricos y magnéticos están entrelazados, formando una sola entidad, el campo electromagnético...
Un primer indicio de esta unidad subyacente viene dado por el extraño fenómeno conocido como inducción: un campo magnético cambiante genera en torno de él lo que percibimos como un campo eléctrico rotacional. Estas líneas de campo eléctrico son cerradas. Esto es muy distinto del caso electroestático, ¡en donde las líneas de campo eléctrico siempre empiezan y terminan en cargas eléctricas!Cuando este campo eléctrico entra en contacto con un conductor, empujará a los electrones libres en él, generando una corriente eléctrica.

El primero en percatarse de la existencia de esta extraña corriente inducida por un campo magnético variable fue Faraday en 1831, en forma accidental.
Faraday mostró al público su fantástico descubrimiento, pero la respuesta inmediata de la gente fue "¿Y eso, de qué sirve?". Para el público, todo lo que Faraday había descubierto era la rareza de que una pequeñísima corriente aparecía en un alambre, cuando movía cerca un imán. Para Faraday, era distinto. Su respuesta fue: "¿De qué sirve un bebé recién nacido?".

Faraday estaba en lo cierto. 50 años más tarde, Nikola Tesla descubrió como utilizar la inducción para generar cantidades colosales de electricidad, e iluminar el mundo.
Así, aquel bebé inútil se convirtió en un prodigio, y cambió la faz de la Tierra de formas en las cuales su orgulloso padre ni siquiera habría soñado.

Si les parece difícil de creer, aquí pueden ver como un compañero de ustedes construyó un generador de corriente alterna monofásico el año pasado ¡con una caja de té! (ganando uno de los desafíos Faraday!)

Otro vídeocurioso es la demostración de la Ley de Lenz que puede hacerse con ¡un imán y una cañería de cobre!


"El científico no espera resultados inmediatos.
No espera que sus avanzadas ideas sean adoptadas ahora.
Su trabajo es como el de un sembrador - para el futuro.
Su deber es construir los fundamentos para los que vendrán, y mostrarles el camino.
Él vive, y trabaja, y espera."

Nikola Tesla (1856-1943)

martes, 23 de noviembre de 2010

¡¡AVISO!!

El Prof. Carlos Ríos hará una ayudantía recuperativa mañana Miércoles 24 a las 14:10 en la sala 06-02, para que así se preparen antes del certamen.
Mañana miércoles también habrá una charla de divulgación (el tema es astrofísica y la posibilidad de vida otros mundos) en el mall. La charla será dictada por el Prof. Nikolaus Vogt, de la Universidad de Valparaíso.Están cordialmente invitados a asistir; el tema es apasionante y estoy seguro que lo van a disfrutar.

Parte 9: Magnetismo

Hasta ahora, hemos hablado del campo eléctrico. La imagen mental que induce el campo eléctrico es bastante clara: actúa sobre las cargas atrayéndolas o empujándolas, de la misma forma como el viento empuja las hojas secas. El campo eléctrico tal como lo conocíamos también tenía un origen claro: es emanado y absorbido por las cargas eléctricas. Las líneas de campo eléctrico nacían y morían en cargas eléctricas. Todo era claro y directo.

Ahora todo se volverá fantástico, curioso y móvil, o en otras palabras, magnético. El campo magnético actúa sólo sobre cargas en movimiento de una forma mucho más curiosa. Las líneas de campo magnético son como cuerdas elásticas cerradas, entre las cuales las cargas en movimiento se enredan, de la misma forma como una enredadera se enrolla sobre su guía.
(Y sí, la clase está en la enredadera de más arriba, pesa 6Mb, así que puede demorar un poco, paciencia)
El que el campo magnético actúe sobre cargas en movimiento es la base del motor eléctrico. En un motor, el campo magnético actúa en general sobre un cable por el que circula una corriente eléctrica. Pueden ver modelos de motor homopolar (inventado por Faraday) en los siguientes vídeos:


Y motores (hechos con un corcho de vino) un poco más complejos en los siguientes vídeos:




El comportamiento de las cargas en movimiento bajo la influencia de un campo magnético es fundamental para nuestra existencia: el campo magnético de la Tierra atrapa y "enreda" las partículas del viento solar, protegiendo así las formas de vida que habitan nuestro planeta. El viento solar puede cambiar radicalmente el rostro de un mundo: cuando la actividad geológica de Marte se detuvo, y el planeta perdió su campo magnético, el viento solar arrancó a girones la atmósfera de ese mundo, transformándolo en un lugar seco, frío y desolado. El que estas partículas del viento solar sean atrapadas por nuestro campo magnético da origen a uno de los más hermosos espectáculos naturales: las auroras boreal y austral.
Aquí los dejo con un vídeo de la aurora austral, filmado en la antártica:

Y aquí les dejo otro, de la aurora boreal, tal como fue filmada por el astronauta Don Pettit desde la estación espacial internacional:

En una hermosa simetría, el campo magnético mismo es producido por cargas en movimiento, enrollándose en torno de las corrientes eléctricas. Esto nos permite construír cosas como el solenoide del vídeo de más abajo:

Por otra parte, la materia se comporta de formas curiosas bajo la influencia de los campos magnéticos. Hay materiales que son a atraídos por el campo magnético, otros que son repelidos y por último, otros que se pueden magnetizar y generar un campo magnético ellos mismos. Un material diamagnético es el agua, tal como pueden apreciarlo en el siguiente video:


Los superconductores son materiales perfectamente diamagnéticos (χ=-1); el campo magnético no puede penetrarlos. Esto tiene aplicaciones asombrosas, como en el caso de los trenes de levitación magnética. El siguiente video es muy bueno para comprender qué está pasando:


Orbitando el Sol, al igual que la Tierra, se encuentra el observatorio espacial SOHO, cuya misión es el estudio del Sol. Los dejo con imágenes de llamaradas solares filmadas por el SOHO, en las cuales podemos ver el plasma enrollándose en las líneas de campo magnético, volviéndolas así visibles. El espectáculo es de una belleza incomparable.

Charla Magnética

Una muy buena noticia. El Jueves 25 de Noviembre el Prof. Eugenio Vogel, destacado científico chileno, estará en nuestra universidad y dictará una charla sobre el Magnetismo. ¡Sería muy conveniente que asistieran!
Lo otro. Muchos me han preguntado donde se pueden comprar imanes de neodimio (ojo que la máquina NO puede consistir sólo de imanes atrayéndose y repeliéndose, lean las bases), pero por si los necesitan, pueden ir a la casa del imán en Santiago. En todo caso, no es necesario utilizar imanes de este tipo, excepto en algunos diseños muy puntuales.

lunes, 22 de noviembre de 2010

Guías de Ejercicios

El Prof. Giovanni Salini a confeccionado dos guías de ejercicios para ustedes:
  • Guía 1: Fuerza de Lorentz
  • Guía 2: Ley de Ámpere y Ley de Faraday/Henry/Lenz
Y un aviso importante: El test 3 será el día 30, y entrará:
  • Corriente y resistencia
  • Fuerza de Lorentz & Fuerza sobre corrientes (o sea la fuerza ejercida por el campo magnético sobre cargas en movimiento)
  • Ley de Ámpere-Maxwell (o sea como las corrientes generan el campo magnético)

miércoles, 17 de noviembre de 2010

¡¡Segundo Desafío Faraday!!

El Segundo Desafío Faraday consiste en disparar un proyectil utilizando solamente el campo electromagnético. ¡El que dispare más lejos gana el desafío! Lean bien las condiciones del desafío; no se vayan a autoimponer reglas inexistentes o a descalificarse en forma inadvertida utilizando algún procedimiento prohibido.

En efecto, cuando se utilizan grandes corrientes es posible disparar proyectiles con velocidades enormes, tal como se puede apreciar en el siguiente vídeo de un cañón electromagnético de riel. El "fuego" sólo se debe al roce (a ocho veces la velocidad del sonido) contra el aire y el cañón mismo.



Dos ADVERTENCIAS:
  • Quizás utilicen bancos de capacitores para generar la corriente eléctrica en algunos diseños. Si es así, utilícenlos con MUCHO CUIDADO. Una descarga de un banco de capacitores puede resultar muy dolorosa o hasta letal, incluso sin haber utilizado la red eléctrica. Sobre todo, NO jueguen con los capacitores.
  • NO apunten a nadie con su máquina (incluídos ustedes mismos). Incluso si el proyectil no sale muy rápido, es fácil herir a alguien en alguna parte sensible, como los ojos.

martes, 16 de noviembre de 2010

Parte 8: Corriente y Resistencia

Poco a poco, empezamos a romper con los límites de la electroestática. Las cargas eléctricas fluirán de un punto a otro a través de la materia; bajo estas condiciones, el campo eléctrico ya no se anulará dentro de los conductores.

Pero las cargas, al trasladarse dentro de la materia, sufren violentos choques contra la estructura atómica. Debido a este bombardeo de electrones, los átomos del material a través del cual fluye la electricidad oscilarán violentamente. Esto es lo que queremos decir con que el material se calienta.Cuando la temperatura conseguida de esta forma es lo suficientemente alta, el material caliente emitirá luz visible. Esto es precisamente lo que sucede en la que es quizás la máquina eléctrica más emblemática de todas: la lámpara incandescente.
La invención de esta máquina es atribuída (aunque con bastante polémica) a uno de los inventores más prolíficos de todos los tiempos: Thomas Alva Edison, en 1879.

"El propósito [de mi trabajo] se cumple si por medio del mismo,
una variedad de hechos puede ser presentado como una sola unidad a la mente"

Georg Simon Ohm (1789-1854)

lunes, 15 de noviembre de 2010

¡¡Notas Certamen 2!!

Les dejo la pauta del certamen 2 en la siguiente descarga...
Las notas las pueden encontrar AQUÍ. Los felicito; en general las notas han mejorado mucho con respecto de la primera prueba. Sólo queda la última parte del curso (y quizás la más entretenida) así que sólo falta un último esfuerzo.

La máquina que estudiamos en esta ocasión fue el generador Van de Graaff, la cual en nuestro tiempo se usa principalmente con fines didácticos, pero originalmente fue utilizada como acelerador de partículas. En cierto sentido, el generador de Van de Graaff fue el tatarabuelo del LHC!

jueves, 11 de noviembre de 2010

Primer Desafío Faraday: Los Vencedores y sus Máquinas

El jueves 11 de noviembre fue un día especial, en el cual algunos de ustedes mostraron sus creaciones para participar en el Desafío Faraday.
Las máquinas presentadas demostraron una habilidad e ingenio extraordinarios. Mis sinceras felicitaciones a todos los participantes; pueden estar realmente orgullosos de su trabajo (el cual de hecho llamó bastante la atención de los demás estudiantes y profesores de la Facultad de Ingeniería).

Y ahora, los vencedores por curso:


Juan Dauros
Fis2201-1 (Ingenierías Civil Industrial y Civil Informática)
El Sr. Dauros creó una máquina basada en el diseño de la Máquina de Wimshurst. Como capacitores utilizó botellas de Leyden clásicas, con agua en su interior. El gran tamaño de estos capacitores le permitió crear una chispa muy brillante y notoria, además de las dolorosas descargas eléctricas que varios probamos en forma directa :-).
Un vídeo de la experiencia puede ser visto en YouTube:


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Pablo Garcés y Carolina Neira
Fis2201-3 (Ingenierías en Biotecnología Acuícola y Logística)
El Sr. Garcés y la Srta. Neira también utilizaron el diseño de Wimshurst. Su máquina se destacaba por el cuidado con el cual fueron pulidos los electrodos y la rapidez con la cual generaba pequeñas descargas eléctricas una después de la otra en forma semi-continua.
Un vídeo de su máquina puede ser visto en YouTube:

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Lorcan Becerra
Fic2201-1 (Ingeniería Civil)
El Sr. Becerra utilizó una versión muy original del generador de Van de Graaff, construído con una lata de cerveza. Si bien requería bastante esfuerzo para almacenar carga, finalmente sí se producía una descarga eléctrica entre la lata y la mano.
Un vídeo de su máquina puede ser visto en YouTube:

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Hubo otros siete participantes, los cuales obtuvieron una mención honrosa por sus ingeniosos diseños: si bien se formaron grandes diferencias de potencial en sus máquinas, no fue suficiente para generar una chispa. Esto no significa que los diseños fueran malos; simplemente hubieron accidentes de último momento o faltaba perfeccionarlos sólo un poco. Además, la humedad de la atmósfera en Concepción siempre nos puede jugar una mala pasada.
Estas personas fueron:

Fic2201-1:
  • Alexis Aguayo
  • Pablo Lara
  • Luz Moraga
  • Patricio Quiroga
Fis2201-1:
  • Sergio Villena
Fis2201-3:
  • María Sánchez
  • Natalia Torres
Pueden ver los ingeniosos diseños de estas máquinas en las siguientes fotografías:
Este diseño era un mini Van de Graaff... el cual sí generaba una diferencia de potencial (los papeles eran repelidos por la lata de Coca-Cola)


La Máquina de Wimshurst que construyó el Sr. Villena poseía un muy buen diseño y manufacturación. Los capacitores eran de placas paralelas y enrollados en espiral, lo cual es una solución muy ingeniosa. El problema fue que por alguna razón uno de ellos estaba haciendo contacto entre las placas y fue imposible repararlo... si no hubiese sido por este detalle, quizás esta máquina hubiese sido una de las vencedoras.


Cargar una botella de Leyden a través del roce entre dos dieléctricos puede ser una forma sencilla y efectiva de conseguir una descarga eléctrica... pero requiere bastante cuidado para no descargar el capacitor y un buen contacto a tierra, ¡mejor suerte para la próxima!

Todas las máquinas mostraron esfuerzo, ingenio y mucha habilidad; es un verdadero orgullo tener estudiantes como ustedes.
Prontamente se anunciará en el blog el Segundo Desafío Faraday. TODOS pueden participar, incluídos los que ya trabajaron en el Primer Desafío... ¡es una excelente oportunidad para una revancha!
PD: Jorge tomó fotos y vídeos del desafío que pueden ser bajados en http://www.megaupload.com/?d=X19ITG41

"Nada es demasiado maravilloso para ser verdad,
si es consistente con las Leyes de la Naturaleza"
Michael Faraday (1791-1867)