Ciencias, Salud y Medio Ambiente · otros planetas en el sistema solar. 4.3. Describe e interpreta...
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Ciencias, Saludy Medio Ambiente
Docentes 9.o grado
Fase 2, semana 2: 20 al 24 de abril
Orientaciones pedagógicas
MINISTERIODE EDUCACIÓN
Material de apoyo para la continuidad educativaante la emergencia COVID-19
1 | Ciencia, Salud y Medio Ambiente Orientaciones pedagógicas 9.o grado
Unidad 4: Electromagnetismo Fecha: del 20 al 24 de abril Contenidos: • Magnetósfera
• Electromagnetismo • Inducción electromagnética
Indicadores de logro: 4.2. Representa y explica con interés la existencia del campo magnético terrestre y el de otros planetas en el sistema solar.
4.3. Describe e interpreta con interés las teorías de Faraday en la unificación del electromagnetismo.
4.4. Explica con curiosidad la generación de trabajo al producirse corriente eléctrica. 4.5. Demuestra y explica correctamente y con interés la fuerza de atracción o repulsión de
los imanes. Tarea propuesta: • Magnetósfera
• Respuestas a problemas de inducción electromagnética
Orientación sobre el uso de la guía Esta guía contiene una propuesta de secuencia de actividades secuenciales para que cada estudiante construya su propio aprendizaje. Se incluyen vínculos a recursos de diverso tipo, sugerencias de tareas y de evaluación. Usted tiene la libertad de hacer las adecuaciones pertinentes con su grupo estudiantil o emplear la guía sin modificar; para ello, las notas docentes y resolución de actividades se presentan en gris claro.
Dependiendo de lo anterior, evalúe las tareas plasmadas en los cuadernos de sus estudiantes cuando se reanuden las clases presenciales. También puede solicitar fotografías de respaldo o crear directamente un aula virtual con sus estudiantes.
A. Actividades
1. Campo magnético terrestre y magnetósfera (tiempo estimado: 1 hora) • La magnetósfera terrestre es una región alrededor del planeta en donde las partículas cargadas se ven
afectadas por el campo magnético de ésta. Observa el siguiente esquema en el que se representa el campo magnético terrestre:
• Descarga y lee la Lección 12 del Material de autoformación e innovación docente para Ciencias
Naturales: FÍSICA o consulta el extracto que se anexa en la versión impresa de esta guía. Explica con tus palabras la función de la magnetósfera. La magnetósfera de la Tierra es muy importante debido a que actúa como escudo para proteger al planeta de la radiación, que es potencialmente dañina para la vida, así como para los dispositivos electrónicos.
• ¿La magnetósfera es propia de la Tierra o puede existir en otros planetas? No es propia de la Tierra, todos los planetas con campo magnético la poseen, incluso dentro de nuestro sistema solar, aunque su intensidad es distinta.
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2. Inducción electromagnética (tiempo estimado: 1 hora)
• Observa el video 1, “Inducción electromagnética”, disponible en el canal de Ciencia Educativa. • Ahora, imagina que tu profesor o profesora de Ciencia, Salud y Medio Ambiente te entrega los
siguientes circuitos:
• Sabiendo que el circuito “a” está unido con alambre de cobre y “b” con poliestireno expandido (durapax), te lanza el reto: ¿en cuál de los circuitos es posible que la bombilla encienda sin utilizar una batería o conectarlo a la energía eléctrica residencial? ¿Cómo y por qué?
Utilizando un imán y haciéndolo pasar en la espiral formada por el circuito a. Debido al principio de inducción electromagnética, el campo magnético inducido por el imán producirá una corriente eléctrica que podría encender la bombilla. En el caso de b, no sería posible porque la espiral no está elaborada de un material conductor eléctrico.
• A continuación, se presentan dos espiras, cada una es incidida por un campo magnético. Indica qué
movimiento tiene la corriente eléctrica en cada una de las espiras, justifica tu respuesta.
Utilizando la regla de la mano derecha, se tiene el siguiente resultado:
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• En la siguiente figura se muestra el principio básico del motor eléctrico. Señala en la imagen en qué
dirección se movería la espira, justifica con tus palabras el resultado.
Respuesta:
Los imanes producen un campo magnético sobre la espira, la corriente de la espira hace que suba y luego regrese en sentido contrario, forzado a girar, y esto lo hace permanentemente.
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B. Recursos
• Video 1: “Inducción electromagnética”, disponible en el canal de Ciencia Educativa: https://www.youtube.com/channel/UCGoSFJZERPBXfU3XvV5qftA, también disponible por televisión abierta (consulta canales y horarios).
• Material de Autoformación e Innovación Docente para Ciencias Naturales: FÍSICA, páginas 207-210, 218- 219. Disponible en http://bit.ly/3b8qpoa; también se anexa un extracto en la versión impresa de esta guía.
C. Evaluación
• Magnetósfera: 40 %
• Respuestas a problemas de inducción electromagnética: 60 %
ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.
5. CORRIENTE ELÉCTRICA Y CAMPO MAGNÉTICO
Tal como hemos estudiado, el movimiento de partículas
cargadas produce un campo magnético, por lo que es de
esperar entonces que la corriente eléctrica, que por
definición es el movimiento de carga eléctrica en un
tiempo dado, también genere un campo magnético. El
campo magnético que rodea un conductor puede ser
evidenciado si colocamos brújulas alrededor de un cable
por el cual circula una corriente eléctrica. La aguja de cada
brújula se orienta con el campo magnético producido por
la corriente del cable y se observa un patrón circular en el
alineamiento de las agujas. Si la corriente eléctrica cambia
de dirección se puede notar que también cambia la
dirección del campo magnético, puesto que la aguja de
cada brújula da media vuelta (180 °) (Fig. 6). Este efecto lo
observó por primera vez el físico danés Øersted, quien hizo
esta demostración enfrente de sus estudiantes.
Figura 6. Esquema
que ilustra el
comportamiento
en la dirección del
campo magnético
alrededor de un
alambre cuando
viaja la corriente
en diferentes
direcciones.
Si el alambre se dobla para formar una espiral, las líneas de
campo magnético se agrupan dentro del alambre. Si al
alambre se le hace otro doblez en forma de espiral y se
sobrepone a la primera espira, la concentración de las
líneas de campo magnético dentro de las espiras se
duplica. Por lo tanto, la intensidad del campo magnético
aumenta conforme vamos agregando más espiras a un
alambre por el cual circula corriente eléctrica.
Electroimán
Al alambre por el cual se hace pasar una corriente eléctrica
para que sirva como imán es al que se le conoce como
electroimán. La fuerza magnética de un electroimán se
puede incrementar de dos maneras: aumentado la
corriente que pasa a través del alambre y aumentando el
número de espiras. El alambre al que se le ha dado varias
vueltas en forma de espiras es lo que se conoce como
bobina. Los imanes industriales ganan fuerza adicional
cuando se les coloca una pieza de hierro dentro de la
bobina. Los electroimanes pueden ser lo suficientemente
poderosos como para levantar vehículos en los basureros.
Existen algunos electroimanes a los que no es necesario
colocarles piezas de hierro. Estos electroimanes son
utilizados para transporte por levitación magnética. Los
trenes por levitación magnética se encuentran
funcionando en diferentes países y diversos diseños para
optimizar el campo magnético siguen siendo buscados
por los ingenieros en la actualidad. El diseño más utilizado
comercialmente consiste en bobinas ubicadas por toda la
trayectoria que llevará el tren (como si fueran los rieles). La
fuerza de estos imanes contrarresta el gran imán que lleva
el tren en la parte baja. Una vez que el tren se encuentra
levitando a pocos centímetros, con una pequeña fuerza de
empuje el tren puede desplazarse con gran facilidad (Fig.
7).
Figura 7. Los trenes MagLev (levitación magnética) levitan sobre los rieles con la ayuda de magnetos y superconductores; son los trenes más rápidos en la actualidad.
La ventaja que presenta este tipo de trenes es que reduce
la fricción que convencionalmente hace un tren sobre los
rieles y la única fuerza de fricción que existe es la
resistencia del aire; con esta ventaja y el apropiado diseño
aerodinámico pueden alcanzar una velocidad aproximada
a la mitad de un avión comercial.
Electroimanes superconductores
Los electroimanes más poderosos utilizan bobinas
superconductoras a través de las cuales la corriente
eléctrica puede fluir con gran facilidad. La
superconductividad permite que la corriente fluya con
resistencia cero y el campo magnético de la bobina se
intensifica en gran medida (Fig. 8), lo que permite que sea
más económico trabajar con materiales superconductores
ya que optimizan la energía eléctrica al máximo.
En el Supercolisionador de Partículas del CERN en Ginebra,
Suiza, imanes superconductores son utilizados para guiar
partículas de alta energía a través de un acelerador de 27
km de circunferencia. Los imanes superconductores
también son utilizados en los equipos de resonancia
magnética (imagen de la portada de esta lección) en
algunas clínicas en El Salvador, para producir campos
magnéticos lo suficientemente grandes como para
ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.
generar una imagen digital del interior del cuerpo
utilizando una cantidad de energía relativamente baja.
Figura 8. Demostración
de la levitación
magnética; la imagen
muestra un imán
cilíndrico flotando sobre
un superconductor de
cerámica al cual se
congeló con nitrógeno
líquido.
6. FUERZA MAGNÉTICA SOBRE PARTÍCULAS
CARGADAS EN MOVIMIENTO
Una partícula cargada en reposo no tendrá interacción
alguna con un campo magnético estático. Si la partícula
cargada se mueve en un campo magnético, el magnetismo
característico de la partícula cargada se vuelve evidente,
debido a que experimenta una fuerza que la desvía; la
fuerza es más grande cuando las partículas se mueven en
dirección perpendicular a las líneas del campo magnético.
En otros ángulos, la fuerza es menor y se vuelve cero
cuando las partículas se mueven paralelas a las líneas de
campo. En cualquier caso, la dirección de la fuerza siempre
es perpendicular a las líneas de campo magnético y la
velocidad de las partículas cargadas. En pocas palabras,
cuando las partículas cargadas cruzan a través de un
campo magnético experimentan una fuerza que las desvía,
pero si cruzan el campo paralelos a sus líneas, no sufren
desviación.
Figura 9. Un haz de electrones atraviesa un campo magnético y
como resultado son desviados hacia arriba; la dirección de la
fuerza magnética apunta hacia arriba siguiendo la regla de la
mano derecha. Recuerde que en los imanes la dirección del
campo magnético va desde el polo norte hacia el polo sur, por
esta razón la flecha de campo magnético coincide con la
configuración en que se encuentran los polos del imán.
Para determinar la dirección de la fuerza magnética se
utiliza lo que se conoce como regla de la mano derecha.
Esta técnica consiste en utilizar la mano derecha como
sistema de referencia en el cual los dedos van apuntando
en la dirección donde apunta la velocidad: se giran los
dedos hasta cerrar el puño, dejando el pulgar expuesto. El
giro se puede hacer de dos maneras: una en la cual se gira
en dirección hacia su cuerpo que como resultado el pulgar
queda hacia arriba, y en la otra se hace el giro en dirección
contraria, logrando así que el pulgar quede apuntando
hacia abajo.
Si la dirección de los dedos indica la dirección en que
apunta la velocidad, el giro se hace desde la velocidad
hacia la dirección del campo magnético, la dirección en
que apunte el dedo pulgar es la dirección de la fuerza
magnética.
Figura 10. Regla de la mano
derecha. Al colocar la mano
derecha con los dedos
apuntando hacia la velocidad y
girando hacia el campo
magnético se puede determinar
la dirección de la fuerza
magnética observando hacia
dónde apunta el pulgar.
Esta fuerza de desviación que sufren las partículas en
movimiento al pasar un campo magnético es de gran
utilidad para nuestra supervivencia. Las partículas cargadas
en los rayos cósmicos son desviadas por el campo
magnético de la Tierra.
Aunque la atmósfera de la Tierra absorbe muchas de estas
partículas cargadas, la intensidad de los rayos cósmicos en
la superficie terrestre sería mucho más intensa sin la
protección del campo magnético.
CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA
No se sabe en sí qué hace que la tierra se comporte como
un imán. La configuración que tiene el campo magnético
terrestre pareciera que fuera una barra magnética muy
fuerte colocada cerca del centro de la Tierra. Pero la Tierra
no es un pedazo de hierro magnetizado como una barra
magnética; de hecho, el centro de la Tierra es demasiado
caliente para que los átomos individuales puedan
mantener la orientación apropiada. La posible explicación
radica en las corrientes eléctricas en el interior de la Tierra.
ExtractodeLección12:Magnetismo.Materialdeautoformacióneinnovacióndocenteparatercerciclo.Física.
Cerca de 2000 kilómetros por debajo del manto rocoso se
encuentra una región derretida que rodea el centro sólido
de la Tierra. Muchos científicos creen que el movimiento
de las cargas en la región derretida de la Tierra es la que
crea el campo magnético. Otros científicos especulan que
la corriente eléctrica como resultado del movimiento de
convección dentro de la Tierra combinado con el
movimiento de rotación son los que producen el campo
magnético. Debido a que la Tierra tiene un gran tamaño, la
velocidad con que se mueven las partículas cargadas
necesita ser solo de unos milímetros por segundo para
crear el campo. Se necesita realizar más estudios para
poder tener una explicación firme sobre el origen del
campo magnético terrestre.
Rayos cósmicos
El Universo es un escenario constante de disparos de
partículas cargadas. Se les llaman rayos cósmicos y
consisten de protones, partículas alfa y otros núcleos
atómicos, así como también electrones de alta energía. Los
protones pueden ser residuos del Big Bang; los núcleos
más pesados probablemente se evaporaron de las
explosiones de las estrellas. En cualquiera de esos eventos,
estas partículas viajaron por el espacio a velocidades
enormes y formaron la radiación cósmica, que es muy
dañina para el ser humano y la vida en general. Esta
radiación es intensificada cuando el Sol está activo y
contribuye añadiendo partículas energéticas. Los rayos
cósmicos también son dañinos para los instrumentos
electrónicos que se encuentran en el espacio.
Afortunadamente, muchas de estas partículas no logran
alcanzarnos debido al espesor de la atmósfera. Además, los
rayos cósmicos son desviados debido al campo magnético
de la Tierra y crean los anillos de radiación de Van Allen
(Fig. 14).
Figura 14. Ilustración
de la protección que
el campo magnético
terrestre ofrece antes
las partículas cargadas
liberadas por el Sol (la
imagen no se
encuentra a escala).
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