What Is Magnetism? | Physics in Motion

Summary

El guión de este segmento de 'Physics in Motion' nos lleva a través del fascinante mundo de la magnetismo, una fuerza que no solo crea espectáculos naturales como las auroras boreales sino que también es fundamental en el funcionamiento de muchas máquinas modernas. Se explora cómo la interacción del campo magnético terrestre con el viento solar da lugar a estas maravillas. Desde la invención de la brújula hasta la comprensión de que la Tierra es un imán y la conexión entre electricidad y magnetismo como dos aspectos de la misma fuerza, la electromagnetismo, el guión ofrece una visión general de la magnetismo. Se explica cómo los campos magnéticos se generan, cómo los electrones en los materiales magnéticos se alinean para formar un imán y cómo los imanes pueden influir en otros materiales creando imanes temporales. Además, se discute cómo el calor, los campos desmagnetizantes y el impacto físico pueden disminuir la fuerza magnética. Finalmente, se presenta la fórmula para calcular la fuerza magnética en una carga en movimiento y se destaca la importancia de la magnetismo en la tecnología moderna.

Takeaways

• 🌌 La Aurora Boreal o luz del norte es causada por la interacción del campo magnético terrestre con el viento solar.
• 🧲 La magnetización de los compases por el metal que siempre apuntaba al norte o sur fue un descubrimiento chino que transformó la exploración global.
• 🌐 William Gilbert descubrió que la Tierra en sí misma es un imán debido a la presencia de hierro en su núcleo.
• 🔧 Los polos magnéticos opuestos se atraen y los pares similares se repelen, lo que es similar a las cargas eléctricas.
• 💡 James Clerk Maxwell estableció que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de la misma fuerza, llamada electromagnetismo.
• ⚡ La electricidad puede crear un campo magnético y viceversa, y ambos surgen de la interacción de partículas con carga eléctrica.
• 🔗 La fuerza magnética es el efecto producido por el movimiento de cargas eléctricas, lo que resulta en fuerzas de atracción y repulsión entre objetos.
• 🚫 Los campos magnéticos solo ocurren cuando las cargas están en movimiento, a diferencia de los campos eléctricos que se crean independientemente del movimiento de las partículas.
• 🧲 Los imanes son versiones en miniatura de la Tierra, con dos polos y un campo magnético propio.
• ⚙️ Los electrones en el nivel subatómico giran alrededor del núcleo y sobre sí mismos, creando campos magnéticos.
• 🧲 Los materiales magnéticos contienen dominios en los que las orientaciones magnéticas de los átomos están alineadas, creando un imán.
• 🔥 El calor, los campos desmagnetizantes y el impacto físico pueden causar la pérdida de la magnetización de un imán.

Q & A

¿Qué fenómeno natural se describe al inicio del guión?

El guión describe el fenómeno de las Aurora Borealis, también conocidas como las luces del norte.

¿Cuál es la causa de las luces del norte?

Las luces del norte son causadas por la interacción del campo magnético de la Tierra con el viento solar, también conocido como la magnetosfera.

¿Cómo se relaciona el magnetismo con los primeros compases?

El magnetismo se relaciona con los primeros compases porque los chinos descubrieron que el metal magnetizado apuntaba siempre hacia el norte o el sur, lo que permitió la creación de compases para la navegación.

¿Quién fue el primer científico que entendió que la Tierra en sí misma es un imán?

William Gilbert, un inglés, fue el primero en entender que la Tierra en sí misma es un imán debido a la presencia de hierro en su núcleo.

¿Cómo se relacionan los campos magnéticos en los imanes con los de la Tierra?

Los campos magnéticos en los imanes se relacionan con los de la Tierra porque ambos tienen dos polos y crean un campo magnético que interactúa con otros imanes.

¿Por qué la Tierra tiene un campo magnético?

La Tierra tiene un campo magnético debido a la presencia de hierro en su interior, que es un material muy magnético y que, al moverse, genera un campo magnético.

¿Cómo se define el magnetismo?

El magnetismo se define como un efecto producido por el movimiento de cargas eléctricas, resultando en fuerzas de atracción y repulsión entre objetos.

¿Cómo se relacionan las partículas cargadas con el campo magnético?

Las partículas cargadas se relacionan con el campo magnético porque solo cuando están en movimiento a través de un campo magnético es cuando experimentan una fuerza magnética.

¿Qué es la 'ley de la mano derecha' y cómo se utiliza para determinar la dirección de la fuerza magnética?

La 'ley de la mano derecha' es una regla utilizada para determinar la dirección de la fuerza magnética sobre una carga en movimiento. Se extiende el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha formando ángulos rectos entre ellos; el pulgar representa la fuerza magnética, el dedo índice representa la velocidad de la carga y el dedo medio representa el campo magnético.

¿Cómo se pueden perder la magnetización de los imanes?

Los imanes pueden perder su magnetización por calor, ya que aumenta el movimiento de los electrones y disipa la fuerza magnética; al colocar el imán en un campo desmagnetizador que neutraliza su fuerza; o al caer un imán, lo que altera la alineación de sus orientaciones magnéticas.

¿Cómo se calcula la fuerza magnética en un campo magnético dado?

La fuerza magnética en un campo dado se calcula multiplicando la carga (q), la velocidad (v) y la fuerza del campo magnético (B). La fórmula es F = q * v * B.

¿Por qué el magnetismo es esencial para el funcionamiento de muchas máquinas?

El magnetismo es esencial para el funcionamiento de muchas máquinas porque está involucrado en los motores y generadores que hacen funcionar una amplia variedad de dispositivos, desde pequeños hasta grandes.

Outlines

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🌌 Fenómenos magnéticos y la Aurora Boreal

Este párrafo introduce la Aurora Boreal y su conexión con la magnetismo. Explica que la luz de las auroras es el resultado de la interacción del campo magnético terrestre con el viento solar, compuesto de partículas de alta energía emitidas por el sol. Además, menciona el descubrimiento del magnetismo y su uso en la fabricación de compases, lo que llevó a la exploración global y el descubrimiento de América. Finalmente, se discute la naturaleza del campo magnético de la Tierra, generado por la presencia de hierro en su núcleo, y cómo las partículas magnéticas se alinean para formar un campo magnético.

05:01

🔗 Electromagnetismo y sus aplicaciones

Este párrafo profundiza en la relación entre electricidad y magnetismo, presentando el concepto de electromagnetismo. Se describe cómo los campos eléctricos y magnéticos interactúan, y cómo la electricidad puede generar un campo magnético y viceversa. Se muestra que ambos fuerzas surgen de la interacción de partículas con carga eléctrica. Se define el magnetismo como un efecto producido por el movimiento de cargas eléctricas, resultando en fuerzas de atracción y repulsión entre objetos. Además, se destaca la capacidad de los imanes para actuar a distancia y cómo la polaridad magnética se manifiesta en pares en los imanes, a diferencia de las cargas eléctricas, que no lo hacen.

10:03

🧲 Cómo los imanes afectan a los materiales

Este párrafo explora cómo los imanes influyen en otros materiales y cómo pueden crear imanes temporales en ciertos materiales no magnetizados. Se muestra un experimento con un imán y un clavo de acero, demostrando cómo el clavo se transforma en un imán temporal después de ser movido en el campo magnético del imán. Se discute la visualización de las líneas del campo magnético utilizando polvo de hierro, y se introduce la 'regla de la derecha' para determinar la dirección de la fuerza magnética en una carga. Además, se examinan las causas por las que un imán puede perder su magnetismo, como el calor, los campos de desmagnetización y el impacto físico. Finalmente, se calcula la magnitud de la fuerza magnética que un electrón experimentaría en un campo magnético determinado, utilizando la velocidad y la carga del electrón.

📚 Recursos didácticos de 'Physics in Motion'

Este párrafo finaliza el segmento de video con una llamada a los espectadores a utilizar los recursos didácticos disponibles en el 'Physics in Motion Toolkit' para obtener más ejercicios de práctica, actividades de laboratorio y guías para tomar apuntes.

Keywords

💡Aurora Borealis

Las Aurora Borealis, también conocidas como las luces del norte, son un fenómeno natural que se produce cuando el campo magnético de la Tierra interactúa con el viento solar. Este fenómeno es espectral y permite visualizar la magnitud de la fuerza magnética en la atmósfera. En el video, las luces del norte son mencionadas al inicio para captar la atención del espectador y vincular el concepto de magnetismo con un fenómeno natural impresionante.

💡Campo magnético terrestre

El campo magnético terrestre es generado por la presencia de hierro en el núcleo de la Tierra y es esencial para la vida, ya que protege a la Tierra de las partículas altamente energéticas del viento solar. En el video, se destaca cómo este campo es responsable de los espectáculos de las Aurora Borealis y cómo su fuerza influye en la funcionalidad de muchos de nuestros dispositivos.

💡Magnetismo

El magnetismo es una fuerza que se produce por el movimiento de las cargas eléctricas, resultando en fuerzas de atracción y repulsión entre objetos. En el video, se explora cómo el magnetismo es esencial para la funcionalidad de la Tierra y cómo ha sido utilizado a lo largo de la historia, desde los primeros compases chinos hasta la exploración global.

💡Compás

El compás es un instrumento que utiliza el magnetismo para señalar la dirección norte-sureste. En el video, se menciona el uso de los materiales magnéticos en la fabricación de compases, que fueron fundamentales para la navegación y la exploración, permitiendo a navegadores como Cristóbal Colón llegar a América.

💡William Gilbert

William Gilbert fue un científico inglés que, en el siglo XVII, descubrió que la Tierra en sí misma es un imán debido a la presencia de hierro en su composición. Este descubrimiento fue clave para entender el comportamiento de los compases y cómo el magnetismo influye en la geografía y la navegación.

💡Poles magnéticos

Los polos magnéticos son las regiones de un imán donde la fuerza magnética es más fuerte. En el video, se aclara que el polo magnético sur se encuentra cerca del polo geográfico norte y viceversa, lo que es fundamental para entender cómo los imanes interactúan entre sí y con otros materiales.

💡Eletromagnetismo

El electromagnetismo es la fuerza subyacente que enlaza la electricidad y el magnetismo, como lo descubrió James Clerk Maxwell. En el video, se resalta que la interacción entre corrientes eléctricas o campos magnéticos es esencial para comprender cómo estos dos fenómenos están conectados y cómo uno puede generar al otro.

💡Cargas eléctricas

Las cargas eléctricas son propiedades fundamentales de las partículas subatómicas que pueden ser positivas, negativas o neutras. En el contexto del video, las cargas eléctricas en movimiento son responsables de crear campos magnéticos, y su interacción con otros campos magnéticos es clave para entender el funcionamiento de muchos dispositivos electrónicos.

💡Campos magnéticos

Los campos magnéticos son áreas en las que se produce una fuerza magnética. En el video, se describe cómo los campos magnéticos se generan a partir del movimiento de las cargas eléctricas y cómo estos influyen en la orientación y el comportamiento de los imanes y otros materiales magnéticos.

💡Domas magnéticas

Las domas magnéticas son regiones dentro de un material magnético donde las orientaciones magnéticas de los átomos están alineadas. Cuando estas domas se alinean, el material se vuelve un imán. En el video, se utiliza el concepto de las domas para explicar cómo ciertos materiales pueden ser magnetizados temporalmente.

💡Fuerza magnética

La fuerza magnética es la fuerza que actúa sobre una carga en movimiento dentro de un campo magnético. En el video, se calcula la magnitud de la fuerza magnética que experimenta una partícula, como un electrón, y se utiliza la regla de la mano derecha para determinar la dirección de dicha fuerza.

💡Tesla

El tesla es la unidad de medida de la intensidad del campo magnético. En el video, se utiliza para expresar la fuerza del campo magnético en el que se encuentra un electrón en movimiento, lo que permite calcular la magnitud de la fuerza magnética que experimenta.

Highlights

The Aurora Borealis, also known as the Northern Lights, is caused by the Earth's magnetic field interacting with the solar wind.

The spectacle of the Northern Lights was one of the first observations of magnetism's effects.

The Chinese were the first to use magnetism, creating compasses from magnetic material that consistently pointed north or south.

William Gilbert discovered that the Earth itself is a magnet due to its iron content.

The Earth's magnetic field resembles a bar magnet, with fields concentrated at the poles.

Magnetic south pole is near the geographic North Pole, and vice versa.

Opposite magnetic poles attract each other, while like poles repel.

A compass needle aligns itself with the Earth's magnetic field due to the force exerted on its poles.

In the 17th century, it was observed that electricity could generate magnetism and vice versa.

James Clerk Maxwell unified electricity and magnetism under the concept of electromagnetism.

Electricity and magnetism arise from the interaction of electrically charged particles.

Magnetism is defined as an effect produced by the motion of electric charges, resulting in forces between objects.

A magnetic field occurs only when charges are moving, unlike electric fields which exist with or without motion.

Magnetic poles always come in pairs, unlike electric charges which can exist singly.

Magnetic forces can act over a distance, as demonstrated by the levitation trick.

All magnets, like the Earth, have two poles and are affected by other magnets and their fields.

Electrons within a magnetic material align to form domains, which when lined up, create a magnet.

Most materials are not magnetic because electron pairs spin in opposite directions, canceling each other's magnetic effects.

Unpaired electrons in atoms, such as iron with four, can produce magnetic fields that turn the atom into a mini magnet.

Magnetism can induce temporary magnetism in certain materials by aligning their domains.

The direction of the magnetic force can be determined using the right-hand rule for both positive and negative charges.

Three factors determine the magnetic force on a moving charge: the charge, its velocity, and the strength of the magnetic field.

Magnetism plays a crucial role in the functioning of many machines, including motors and generators.

Transcripts

♪♪

This is the Aurora Borealis.

Or you might know them as the northern lights.

The same mysterious force that creates these awesome displays

also makes possible the work that many of our machines do.

Any guesses what they are?

In this segment of "Physics in Motion",

we'll find out the story behind that force.

Magnetism.

The spectacle of the northern lights is caused

by the Earth's magnetic field

interacting with the solar wind,

or what we call the magnetosphere.

The wind is actually high energy particles

emitted by the sun.

And when the sun emits a huge number of these particles

and they hit the magnetosphere,

you get this.

Can you imagine what people thought

when they first saw these natural special effects?

They couldn't have known it was magnetism

that made these spectacles possible.

People first started to see magnetism as a useful force

more than 2,000 years ago.

The Chinese figured out how to use magnetic material

to make compasses

because the metal always pointed north or south.

That discovery spread to Europe,

paving the way for global exploration,

which led to Columbus reaching America.

But no one knew why the magnetized pointers

behaved the way they did.

In 1600, a little more than a century after Columbus,

an Englishman named William Gilbert

figured that out.

It's because the Earth itself is a magnet.

That's because there is a lot of iron in the Earth,

and iron is naturally very magnetic.

So the Earth generates its own magnetic field,

which looks like this.

See how the fields are concentrated

at the north and south poles?

Now, here's the tricky thing to remember.

The magnetic south pole is actually near

the geographic north pole.

And the magnetic north pole is near

the geographic south pole.

Scientists realized that opposite magnetic poles attract

and like poles repel.

Just like electric charges.

They decided this was a more accurate way

to talk about magnetic poles.

So when a compass needle spins,

the north end is drawn

to align with Earth's magnetic field.

By the 17th century,

people had observed that electricity

could create magnetism, and vice versa.

Magnets can generate electricity.

But then, about 200 years ago,

a guy named James Clerk Maxwell nailed it,

when he realized that electricity and magnetism

are two aspects of the same force.

Electromagnetism.

The interaction of electric currents or fields

with magnetic fields.

It's an alternating kind of effect.

Electricity creates a magnetic field,

which can generate electricity, and so on.

You can see how closely they are related

in this animation of a ray of light.

Electricity and magnetism both arise from

the interaction of electrically charged particles.

We've talked a lot about what electricity is

in earlier segments in this unit.

But what exactly is magnetism?

We can define it as an effect

produced by the motion of electric charges,

resulting in attractive and repulsive forces

between objects.

It's different from electricity in a couple of ways.

One is that a magnetic field occurs

only when charges are moving,

but electric fields are created

whether the particles are moving or not.

Second, magnetic poles are always produced in pairs,

whereas electric charges are not.

Now, one cool thing about a magnetic force

is that it can act at a distance.

Let me do a little magic trick.

You see how it looks like it's levitating?

Well, in fact, it is levitating.

Courtesy of the magnetic field.

How does it work?

This end of the magnet is north.

Usually called the magnet's north pole.

And this one is north too.

So, what do you think happens?

The like poles repel each other,

keeping the magnets apart.

They don't have to touch each other to affect each other.

The force is between them.

Kinda like magic, isn't it?

But it's science.

All magnets are miniature versions of the Earth.

Like our planet, they have two poles,

they create a magnetic field,

and they are affected by other magnets.

At the subatomic level, the electrons spin like tops,

as well as spinning around the nucleus,

creating magnetic fields.

Within any piece of magnetic material are domains.

Areas where the individual magnetic orientations of atoms

are aligned with one another.

So they point in the same direction.

Each of the domains also has a north and south pole.

When the domains line up, that creates a magnet.

So, why isn't everything magnetic?

Most electrons in an atom exist in pairs

that spin in opposite directions.

So the magnetic effect of one electron in a pair

cancels out the effect of its partner.

But if an atom has some unpaired electrons,

iron atoms have four,

these produce magnetic fields that line up with one another

and turn the whole atom into a mini magnet.

In other words, when you put a material like iron for instance

in a magnetic field,

the electrons change their spin

and align with the magnetic field.

Now, magnets can affect other materials

in another way.

They can make a temporary magnet

out of certain kinds of unmagnetized materials.

Let me show you.

One magnet, check. See?

It attracts these iron filings.

One nail.

But it's not a magnet. No attraction.

See?

Now I slide the nail with the magnet

in the same direction,

moving it away from the nail at the end of each pass.

Each time I do this,

more electrons in the nail

align with the magnetic field.

Now, I've been aligning our domains

for about 15 seconds.

Let's see if we've got a magnet.

And we do.

And let me show you something else.

When I sprinkle iron filings on top of a bar magnet,

Look, you can see magnetic field lines.

Like any force, magnetic force has a direction

such as up or down.

If we wanna know the direction of the magnetic force,

we can figure that out using what we call

the "right hand rule".

We know that the magnetic force

acts only on charged particles,

so let's see how the right hand rule works

for a positive charge first.

With my right hand, I make a thumbs up sign.

My thumb represents the direction

of the magnetic force acting on a positive charge.

Now, I point my forefinger at a 90 degree angle

with my thumb.

My pointer finger represents the velocity vector

of the positive charge,

including the direction it is moving in.

Then, I take my middle finger

and I point it at a 90 degree angle

with my pointer finger, like this.

My middle finger represents the direction of the magnetic field

that the charge is moving through.

If I have a negative charge,

do the right hand rule the same way,

but know that the negative charge

is in the opposite direction of the positive charge.

If the positive charge is moving to the right,

the negative charge would be moving to the left.

There are three things that can cause a magnet

to lose its magnetism.

One is heating the magnet.

The heat makes the electrons move faster and faster.

And as they get jumbled up, the magnetic force dissipates.

Another is putting the magnet in a de-magnetizing field.

One that cancels out the magnet's strength.

If you've ever had a magnetic strip on a card

in your wallet stop working,

this may well be the cause.

Finally, dropping a magnet will disrupt the alignment

of its individual magnetic orientations

and the magnetic force.

So, we've learned what magnetism is

and how it behaves.

How charge and motion creates a magnetic field.

And remember, that a charged particle

has to be moving through a magnetic field

in order to experience a magnetic force.

No movement, no force.

Now, let's look at how to calculate magnetic force.

Let's say we have a magnetic field

and there's an electron moving around in the field.

The electron is moving fast

at a velocity of 2 x 10 to the 5th meters per second upwards,

in a magnetic field strength 4 teslas.

Pointing from right to left.

A tesla measures the strength of a magnetic field.

What will happen to that electron?

Will it feel a force?

And if it does, how much?

The magnitude of the magnetic force

that a moving charge feels

depends on three things.

The charge, q, the charge's velocity, v,

and the magnetic field's strength, b.

Once we know these three quantities,

we can solve for magnetic force

by multiplying them all together.

In this case, we've been told

how fast the charge is moving,

and the strength of the field it is in.

And remember that we know

what the charge of an electron is.

Negative 1.6 x 10 to the negative 19 coulombs.

Bringing it all together

to solve for magnetic force magnitude

on the electron,

we have magnetic force on a charge equals

the charge magnitude times its velocity,

times the magnetic field in which the charge is moving.

Plugging in all of our numbers,

we find that this magnetic field

exerts a force of 1.3 x 10 to the negative 13 newtons.

Now, which way does the magnetic force point?

We know that our charge is moving upward

and that it's negative.

Let's use the right hand rule to figure out

which way the magnetic force is pointing.

Our charge velocity vector points up,

and b, the magnetic field, points to the left.

So the magnetic force pushes the force towards me.

But remember, we have a negative charge.

So the magnetic force will point

in the opposite direction.

That is away from me.

At the beginning of this segment,

I said that magnetism is part of what makes

many of our machines work.

But it's not just giant magnets.

It's in the motors and generators that run

almost anything you can think of.

That's it for this segment of "Physics in Motion".

We'll see you next time.

(announcer) For more practice problems,

lab activities, and note-taking guides,

check out the "Physics in Motion" toolkit.