Este documento describe un experimento para medir la componente horizontal del campo magnético terrestre mediante el uso de una brújula y un par de bobinas de Helmholtz. El procedimiento implica variar la intensidad de corriente en las bobinas hasta que la aguja magnética forme un ángulo de 45° con el meridiano magnético, momento en el que los campos magnéticos creados por las bobinas y la Tierra son iguales. Esto permite calcular el valor del campo magnético terrestre. El documento también incluye antecedentes te

1. Práctica: cálculo del campo magnético terrestre por el método de la
brújula de las tangentes
Introducción
El origen del campo magnético es consecuencia de la existencia de un núcleo metálico
en el interior de la tierra formado por níquel y hierro (NiFe). Desde muy antiguo, los
chinos conocían la brújula. Una prueba indirecta de este hecho es la expedición que
durante el siglo XIV realizó un almirante chino a África: sin brújula la expedición
hubiera sido imposible. Entre los objetos con los que regresaron a China figuraba una
jirafa que parece que no le gustó al emperador. Desde entonces China se aisló del
mundo exterior (es decir, de occidente) y su apertura no comenzó hasta el siglo XIX
con las conocidas guerras del opio.
Se sabe que una aguja imantada que puede girar libremente alrededor de un eje vertical
que pasa por el centro, presenta la notable propiedad de orientarse en una dirección que
es, aproximadamente, la del norte geográfico, en este hemisferio. El comportamiento de
esta aguja o brújula evidencia la existencia de un campo magnético terrestre, BT , de
manera que la tierra se comporta como un imán gigantesco. Gracias a la existencia de
este campo magnético es posible la orientación y, por ejemplo, la navegación en alta
mar (antes de extenderse el uso de los GPS). El ángulo que forma BT con el plano
horizontal se nombra inclinación magnética y la que forma con el meridiano geográfico
se nombra declinación magnética. Es importante conocer la declinación para una
correcta orientación geográfica. Las líneas que unen los puntos con la misma
declinación se llaman isógonas.
Objetivo
Medir el valor de la componente horizontal de la intensidad del campo magnético
terrestre, por el método de la brújula de las tangentes.
Cuestiones previas
Tenemos una bobina en un plano perpendicular al suelo. ¿Qué le ocurre a una brújula
en el centro de la bobina anterior por la que circula una corriente continua de intensidad
I?
¿Cuál es el fundamento de las bobinas de Helmholtz?
Hipótesis
Conocido el campo magnético crea do por dos bobinas de Helmholtz conectadas en
serie, ¿cómo se puede averiguar la componente horizontal del campo magnético
terrestre?
Materiales y montaje
1 Par de bobinas de Helmholtz (N = 154 espiras, R = 20cm).
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2. 1 Fuente de alimentación 0-6-18 V CC, 0-5 A
1 Polímetro digital
Cables de conexión eléctrica.
1 Magnetómetro
1 Reóstato 5 A
Procedimiento experimental (medidas y representación gráfica)
Nota Importante: Antes de conectar la fuente de alimentación hay que asegurarse que
los controles de potencial y corriente están al mínimo. Coloca el reóstato en el punto
medio de su recorrido. Una vez que se ha encendido la fuente de alimentación, sitúa el
botón de limitación de corriente a 1,5 A para evitar estropear el amperímetro.
Nota sobre el funcionamiento de las bobinas de Helmholtz: Las bobinas de Helmholtz
son dos bobinas paralelas separadas a una distancia R. Cada bobina está formada por un
hilo conductor que recorre N vueltas en torno a un apoyo cilíndrico cuyo radio
coincide con la distancia R entre las bobinas (en nuestro caso, N=154 y R=20 cm.). El
hilo de sujeción de cada bobina dispone de dos conectores hembra que coinciden con el
inicio (marcado con 1) y el final del bobinado (marcado con 2). Las salidas 2 deben
estar conectadas a la fuente de alimentación mientras que las salidas 1 deben estar
conectadas entre sí. De esta manera, las bobinas están conectadas en serie y por ellas
circula una corriente eléctrica de intensidad I. Como consecuencia, éstas generan un
campo magnético que es prácticamente uniforme en el espacio comprendido entre ellas.
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3. Para determinar el valor del campo magnético recordamos que, en el caso de una espira
circular de radio R, la inducción magnética, B, en un punto del eje de simetría y a una
distancia x de su centro viene dada por:
µ0 R 2 I
B= (1)
2( R 2 + x 2 ) 3 / 2
siendo µ0 = 4π⋅10- 7 Wb/B m.
Ya que, en lugar de una sola espira, disponemos de dos bobinas paralelas con N espiras
cada una, el campo magnético en el punto medio entre bobinas será
µ 0 R 2 NI
B= (2)
(R2 + x 2 )3 / 2
o bien, si tenemos en cuenta que x = R/2:
8µ 0 NI
B= (3)
5 5R
Conocidos N y R, la medida de I con un amperímetro, permite encontrar el valor de la
inducción magnética, B, generada por las bobinas.
Modo operativo
Se colocan las bobinas de manera que el plano vertical que las contiene sea paralelo al
meridiano magnético. ¿Cómo se puede localizar el meridiano magnético?
De esta manera el campo creado por las bobinas será perpendicular al campo magnético
h h h h
terrestre. A la relación entre BE i BH será, según la figura 2, BH = BE • tgf φ ,
sí
h h
donde BH es el campo creado por las bobinas y BE es el campo magnético terrestre. En
el momento en que el ángulo sea de 45º el valor de las dos
h h
h φ intensitades campos, BE i BH , es igual, ya que tg 45º =
BE
h 1.
BR
h Figura 2
BH
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4. Por lo tanto se puede operar de la siguiente manera: Se conecta el montaje y se va
regulando la intensidad de la corriente eléctrica hasta que la aguja magnética forme 45º
con el meridiano magnético. En ese instante, cuando los dos campos son iguales,
sustituimos la intensidad en (3) y se calcula B, que coincidirá con el BT.
Se puede probar con distintos ángulos para obtener diferentes valores y después
completar la tabla siguiente. En ambos casos el valor debe coincidir y de esta manera
confirmar que hemos operado bien.
Valores
medios
I( A)
(φ)
tag φ
hBH
hBE
Cuestiones
¿Cómo giraría la aguja imantada si cambiamos la polaridad de las conexiones de la
bobina?
¿Funcionaría igual el experimento si utilizáramos corriente alterna?
Recursos de Internet.
http://www.fisicarecreativa.como/informes a/info_exp_1.htm
http://recursos.gabrielortiz.como/calculadora_declinacion/entrada.aspe
http://mit.ocw.universia.limpio/8.02/f02/calendar/índice.htm
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5. Ciencia, técnica y sociedad.
Valorar y comprender cómo el magnetismo terrestre permite la navegación tanto aérea
como naval, ha facilitado las comunicaciones mundiales, y ha contribuido a los
descubrimientos de los siglos XVI y XVII.
El campo magnético terrestre es un protector de las radiaciones solares, y también
produce las auroras boreales. Intentar explicar cómo se producen.
Reflexionar sobre el hecho de que gracias al magnetismo (en este caso la inducción
electromagnética) es posible la producción de energía eléctrica, imprescindible en la
sociedad actual.
Final
Elabora un informe a final para colgarlo en la web de la universidad. Éste debe incluir
como mínimo lo siguiente (las indicaciones del anexo te pueden orientar):
Título de la experiencia (corto y que indique claramente de qué trata).
Fotografía de los componentes del grupo, nombres y lugar donde estudiáis.
Introducción (objetivo, fecha, donde habéis hecho la experiencia ...)
Fundamento teórico (resumen teórico del fenómeno estudiado)
Hipótesis (qué esperáis obtener, qué variables consideraréis y como esperáis que se
comporten...)
Diseño experimental (esquema del montaje, fotografía, características, materiales...)
Procedimiento (explicar las acciones realizadas, incluyendo las observaciones que
consideráis importantes)
Medidas y cálculos (tablas de valores, magnitudes, unidades y representaciones
gráficas...)
Respuesta a las cuestiones finales
Conclusiones (qué se ha demostrado, qué ventajas e inconvenientes tiene vuestro
diseño experimental y vuestro método, otras cuestiones relacionadas que
propondríais para ampliar la investigación ...)
Bibliografía consultada de la siguiente forma:
Apellido, nombre (año de publicación), título del libro en cursiva, Editorial, ciudad
de publicación, página donde está la información
- Si la fuente de información es Internet, hay que incluir la dirección electrónica.
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6. Anexo: ayuda para elaborar el informe final
Acciones que debo hacer Estará bien hecho si...
1. Escoger un título para el 1.1 está de acuerdo con la experiencia
informe 1.2 resume el objetivo principal
1.3 es sugerente
2. Identificar el objetivo principal 2.1 está de acuerdo con las finalidades del trabajo
realizado
2.2 comienza con un verbo
3. Plantear la hipótesis 3.1 se indican las variables dependiente e
independiente
3.2 se indican las variables controlables
3.3 se redactan utilizando la forma:
“Si...... entonces ......
4. Indicar los materiales e 4.1 se anotan todos
instrumentos utilizados en la 4.2 se nombran correctamente
experiencia
5. Describir el procedimiento 5.1 está de acuerdo con la hipótesis
seguido 5.2 se describen los diferentes pasos en párrafos
separados
5.3 los párrafos son cortos, precisos y concisos
5.4 se acompaña con esquemas
6. Transcribir las observaciones y 6.1 son sistemáticas en relación con la variable
los datos independiente
6.2 se utilizan tablas y cuadros
6.3 se visualizan fácilmente
6.4 incluyen observaciones sobre aspectos
divergentes u otros
7. Transformar los datos 7.1 si permiten visualizar y llegar a conclusiones en
relación con la hipótesis planteada
7.2 si se utilizan gráficos o esquemas
8. Redactar las conclusiones 8.1 responden a la hipótesis
8.2 se relacionan con aspectos teóricos que explican
los resultados obtenidos
8.3 se diferencian las interpretaciones personales de
las que son aceptadas científicamente
8.4 en la redacción se utilizan los términos
científicos adecuados y sin errores
8.5 si las frases están bien construidas (atención a
los conectores)
9. Revisar el texto elaborado 9.1 se comprueba que una persona que no ha hecho
el experimento lo puede repetir
9.2 la presentación permite leer fácilmente el texto
9.3 la puntuación y lo or tografía son correctos
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