televisió per cable i l’accés a internet per cable coaxial46, que usen algunes de les freqüències més baixes de microones. G. ONES DE RÀDIO L’espectre radioelèctric comprèn totes les ones electromagnètiques les freqüències de les quals estan compreses entre 3Hz i 3000GHz. Tots els sistemes de telecomunicacions utilitzen senyals elèctrics per al transport de la informació.Aquests es poden descriure per la variació en el temps dels seus corrents.
AM significa Amplitud Modulada. Aquest tipus de modulació lineal consisteix a fer variar l’amplitud de l’ona portadora de la informació en funció de les variacions del senyal modulador, que és la informació que es vol transmetre. FM vol dir Freqüència Modulada, que es un tipus de modulació angular que modifica la freqüència instantània de l’ona portadora en funció de les variacions del senyal modulador. És molt més resistent al soroll que una modulació d’amplidud, ja que el soroll es suma a l’amplitud de la portadora però no afecta a la seva freqüència, que és on està codificada la informació en aquest segon cas. 10.3. L’EFECTE FOTOELÈCTRIC L’efecte fotoelèctric és el procés mitjançant el qual, poden ser alliberats els electrons d’un metall quan aquest és il·luminat amb una radiació de freqüència adequada. La seva importància és que demostra no tan sols que la matèria (els àtoms) i la càrrega elèctrica (la càrrega de l’electró) estan quantitzades, sinó que també ho està l’energia de la radiació (els fotons). 46 portar la informació, i un exterior que serveix com a retorn dels corrents. Fig. 43
Quan la radiació interacciona amb la matèria, ho fa com si estigués formada per unitats, i cadascuna amb una energia proporcional a la seva freqüència. Cada unitat interacciona individualment amb els àtoms i no se’n sumen els efectes: si un fotó no té prou energia per produir un fenomen (com per exemple el trencament d’un enllaç químic), no ho aconseguiran molts fotons que incideixin l’un rere l’altre. Les demostracions sobre l’efecte fotoelèctric permeten saber que: A. Hi ha una freqüència llindar, o mínima, a partir de la qual la radiació és capaç d’expulsar electrons d’un metall. Si la freqüència és superior a aquest mínim, es desprenen electrons i s’origina un corrent elèctric amb una intensitat proporcional a la intensitat de la radiació. Per sota de la freqüència llindar, el corrent elèctric és nul, independentment de la intensitat de la radiació. B. Els electrons que es desprenen tenen una energia cinètica que es pot mesurar frenant-los amb un camp elèctric que anul·li el corrent. Es pot fer fàcilment amb un generador de tensió “No podem ignorar la sensació de que aquestes fórmules matemàtiques tenen una existència independent i una intel·ligència pròpia, i que són més sàvies que nosaltres, més sàvies fins i tot que els seus propis descobridors.” Heinrich Rudolf Hertz Fig. 44: En aquest dibuix es pot observar com les radiacions incideixen sobre els electrons i aquests es desprenen de la superfície. variable V que s’augmenta poc a poc fins que, en un valor V a s’anul·la el corrent.
ARC PRÀCTIC
11. EL COMPORTAMENT MAGNÈTIC DE LA MATÈRIA 11.1. OBJECTIU Aquest experiment té la intenció de mostrar els diferents tipus de comportaments magnètics que pot tenir la matèria. Veurem quins tipus de materials són atrets per un camp magnètics i quins no, i a partir d’aquí treurem les conclusions. 11.2. MATERIAL Per a aquesta pràctica es necessiten els materials següents: – Cartolina. – Dos imants potents: un de lineal i l’altre en forma de ferradura. – Llimadures de ferro. – Llimadures d’alumini. – Un vas de precipitats. – Una pipeta. – Aigua. – Un bolígraf de plàstic. 11.3. PROCEDIMENT Aquesta pràctica està dividida en 3 experiències diferents que semblen independents entre elles però que, juntes, ens ajudaran a deduïr els diferents tipus de materials magnètics que existeixen. EXPERIÈNCIA 1: – Primer de tot, col·loquem un dels dos imants sobre una superfície plana, com podria ser una taula, i deixem la cartolina just a sobre. – Després, espolvorejem les llimadures de ferro damunt la cartolina i les repartim uniformement sobre aquesta. – Al fer això, observem com les llimadures es mouen i adopten una posició concreta al voltant de la superfície de l’imant (però no el toquen, ja que està la cartolina al mig).
– Després, aixequem la cartolina i canviem l’imant que està a sota d’aquesta pel que encara no hem utilitzat, i tornem a deixar-la. Al fer això observem com les llimadures de ferro tornen a adoptar una altra col·locació, diferent a la d’abans, al voltant de la superfície d’aquest segon imant. EXPERIÈNCIA 2: – Fem el mateix que a l’experiència 1 i col·loquem la cartolina a sobre d’un dels dos imants. – Aquest cop, espolvorejem les llimadures d’alumini sobre aquesta. Observem que, a diferència de les llimadures de ferro, les d’alumini no adopten cap forma. Simplement no es mouen. – Aixequem la cartolina i canviem els imants, però segueix sense passar res. Les llimadures d’alumini no es mouen. EXPERIÈNCIA 3: -Omplim el vas de precipitats amb l’aigua i n’agafem una mica amb la pipeta. -Freguem el bolígraf amb algun teixit, com per exemple, el dels pantalons, per a carregar aquest estàticament. -Deixem anar l’aigua de la pipeta mentre li acostem el bolígraf i observem com el raig d’aigua s’acosta cap a aquest mentre va caient. -Ara, fem el mateix però acostant qualsevol dels dos Fig. 46: Llimadures de ferro al voltant d’un imant lineal. Fig. 45: Llimadures de ferro al voltant d’un imant de ferradura. Fig. 47: Un vas de precipitats.
imants i observem com el raig d’aigua cau sense que s’alteri la seva direcció. 11.4. CONCLUSIONS EXPERIÈNCIA 1: En aquesta experiència hem observat com les llimadures de ferro es movien quan estaven exposades a un camp magnètic generat pels imants. També hem vist com adoptaven col·locacions diferents segons la forma dels imants que utilitzavem. Aquestes formes que adopten les llimadures són les línies del camp magnètic que nosaltres no podem veure, però estan al voltant de tot imant. Aquestes línies de camp i la direcció cap a la qual s’expandeixen varien segons la forma de l’imant, com hem pogut observar al experimentar amb dos imants de formes diferents. D’això podem treure la conclusió que el ferro forma part del grup dels materials ferromagnètics (igual que el níquel, el cobalt, etc.), que són tots aquells materials atrets per un camp magnètic i que es poden magnetitzar, és a dir, convertir-se en un imant si estan exposats a un camp magnètic amb la potència suficient. EXPERIÈNCIA 2: A la segona experiència hem fet el mateix procediment que a la primera però enlloc d’utilitzar llimadures de ferro n’hem utilitzat d’alumini. El que hem observat ha sigut que, aparentment, el camp magnètic dels imants no ha afectat de ninguna manera a les llimadures d’alumini. D’aquesta observació podem treure la conclusió que l’alumini pertany al grup dels materials paramagnètics (igual que l’oxígen, el titani, l’estany, etc.), que són tots aquells materials que es poden magnetitzar de la mateixa manera que ho fa l’aire. És a dir, no són atrets pels camps magnètics i la seva magnetització seria molt difícil. Fig. 48: Llimadures de ferro al voltant d’un imant en forma cúbica.
EXPERIÈNCIA 3: Per últim, a la tercera experiència hem vist com l’aigua es comportava de manera diferent davant d’una càrrega estàtica que d’un camp magnètic. Amb això hem demostrat que l’aigua és polar al mateix temps que diamagnètica. El fet de que l’aigua sigui una molècula polar significa que existeix en ella una distribució irregular de la càrrega elèctrica. De fet, té una càrrega parcial negativa pròxima a l’àtom d’oxígen, i una càrrega parcial positiva pròxima als àtoms d’hidrogen. Per això és atreta a una càrrega estàtica. També pertany al grup de materials diamagnètics (com el coure, la plata, el mercuri, etc.), que són tots aquells que tenen unes propietats de magnetització molt inferiors que la de l’aire. Això vol dir que no són atrets pels camps magnètics i que serà gairebé impossible magnetitzar-los. Fig. 49: En aquesta il·lustració podem observar una molècula d’aigua.
12. L’EXPERIMENT D’OERSTED 12.1. OBJECTIU La intenció d’aquesta pràctica és reproduir un dels experiments que Oersted va dur a terme per a demostrar la seva afirmació que “en tot conductor pel qual circula un corrent elèctric es genera un camp magnètic” i, com a conseqüència, demostrar també la llei de Lenz. 12.2. MATERIAL El material que he necessitat ha estat el següent: – Un taulell de fusta d’aproximadament 15 cm d’ample x 30 cm de llarg. – 4 suports de plàstic de 2 cm d’amplada x 2 cm de llargada com els de la figura 50. – Una barra metàl·lica plana d’aproximadament 1 cm d’amplada x 50 cm de llargada, amb la forma que s’indica a la figura 51, i amb dos forats d’aproximadament 0,25 cm de diàmetre als seus extrems. – Un punxó com el de la figura 53. – 2 volanderes d’aproximadament 1,25 cm de diàmetre, i 1 d’aproximadament 2 cm de diàmetre. – 2 femelles d’aproximadament 0,5 cm de diàmetre. – 1 cargol d’aproximadament 0,5 cm de diàmetre. – 2 conjunts de cargol, femella i suport com els de la figura 52. Fig. 50 (font: elaboració pròpia) Fig. 51 (font: elaboració pròpia)
– 2 piles de 4,5 V. – 3 cocodrils. – 1 agulla de brúixola com la de la figura 54. – Cola d’impacte. – Eina per a fer forats de 0,25 cm de diàmetre. – Un tornavís. 12.3. PROCEDIMENT – Primer de tot, fem 3 forats al taulell de fusta: dos d’ells separats 2,5 cm d’un dels costats curts i aproximadament 7,5 cm d’un dels costats llargs. L’altre el fem just al mig del taulell. – Després, enganxem amb la cola d’impacte els 4 suports de plàstic a les 4 respectives cantonades del taulell i esperem a que es sequi. – Aleshores, amb l’ajuda del tornavís, cargolem el punxó al cargol de 0,5 cm de diàmetre amb la femella gran, de manera que el punxó quedi a la banda del taulell en la qual no estan els suports de plàstic enganxats. – Seguidament, cargolem la barra metàl·lica al taulell amb les femelles i els cargols restants, tenint en compte que els suports han d’estar col·locats en els cargols de manera prèvia, ja que si no després no els podrem posar. Aquests darrers cargols han de quedar col·locats de manera que els seus extrems més gruixuts quedin a la banda del taulell en la qual està el punxó. – Llavors, cargolem les rosques a la part que ha quedat lliure dels cargols, deixant un petit espai. Fig. 52 (font: elaboració pròpia) Fig. 53 (font: elaboració pròpia) Fig. 54 (font: elaboració pròpia)
– Després d’haver completat tots aquests passos, hauriem de tenir una estructura com la següent: – A continuació, connectem dos dels cocodrils als espais que hem deixat anteriorment entre les rosques i el suport. – Connectem un dels cocodrils al pol positiu d’una de les piles, i l’altre al pol negatiu de la pila restant. – Aleshores, col·loquem l’agulla de brúixola a sobre del punxó i esperem a que s’orienti cap al nord. – Després, aliniem la barra metàl·lica amb l’agulla, de manera que aquestes tinguin la mateixa direcció: – Continuadament, connectem les dues piles en sèrie amb l’últim cocodril (és a dir, tanquem el circuit) fent que el corrent vagi en sentit antihorari. Just quan fem això podem observar com la Fig. 55 (font: elaboració pròpia) Fig. 56 (font: elaboració pròpia)
brúixola es comença a moure en sentit horari orientant-se en perpendicular a la barra metàl·lica. – Darrerament, canviem el sentit del corrent canviant els pols de les piles i observem com l’agulla es mou en sentit antihorari, orientant-se també en perpendicular a la barra. 12.4. CONCLUSIONS D’aquest experiment podem treure varies conclusions. La primera d’elles és que en tot conductor pel qual circula un corrent elèctric es genera un camp magnètic. Això ho podem deduïr pel moviment de l’agulla cada vegada que tanquem el circuït elèctric. També podem treure la conclusió de que l’agulla s’orienta cap a un sentit o cap a un altre segons el sentit del corrent elèctric, ja que depenent d’aquest, les línies de camp del camp magnètic que es genera van en un sentit o en un altre. Quan el corrent va en sentit horari, l’agulla gira en sentit antihorari, i quan el corrent va en sentit antihorari, l’agulla gira en sentit horari. El que no canvia és la tendència de l’agulla a posicionar-se en perpendicular a la barra metàl·lica. Això és pel fet de que es sumen el camp magnètic de la terra, el qual fa que l’agulla s’orienti cap al nord de manera natural, i el camp magnètic generat al voltant del conductor. Per tant, amb aquest experiment hem demostrat l’afirmació d’Oersted i també la llei de Lenz, ja que hem observat que els sentits del corrent elèctric i el de gir de l’agulla són sempre contraris. Fig. 57 (font: elaboració pròpia)
13. L’EXPERIMENT DE FARADAY 13.1. OBJECTIU L’objectiu d’aquest experiment és demostrar que es pot crear un corrent induït en tot conductor exposat a un camp mangètic el flux del qual varia amb el temps. 13.2. MATERIAL El material que es requereix per a realitzar aquesta pràctica és el següent: – Un taulell de fusta d’aproximadament 20 cm d’amplada x 30 cm de llargada. – 4 suports de plàstic com els de la figura 58. – Una manovella com la de la figura 59. – Una bombeta petita de rosca. – Un suport per a bombetes de rosca. – Cables de coure. – Una bobina amb el seu suport metàl·lic com la de la figura 60. – Un imant potent. – Un eix metàl·lic amb un rotor solidari, amb els seus respectius suports, com el de la figura 60 amb dues pales metàl·liques per a transportar el corrent elèctric als cables. – Eina per a fer forats de mínim 0,15 cm de diàmetre. Fig. 58 (font: elaboració pròpia) Fig. 59 (font: elaboració pròpia)
– Una goma de cautxú de 0,5 cm de diàmetre. – Element unit a l’eix per a poder passar la goma, com el de la figura 61. – Cargols, femelles i volanderes varies amb les quals unir tots els elements al taulell. – Eina per a soldar. 13.3. PROCEDIMENT Aquesta construcció va ser relativament llarga i feixuga de fer, per això la meva intenció amb l’explicació del procediment no és mostrar pas a pas el procés que vaig seguir, sinó fer-ho a “grosso modo” i centrar-me en demostrar el fenòmen de Faraday que, al cap i a la fi, és l’objectiu d’aquesta pràctica. – Primer de tot, fem tots els forats necessaris al taulell, tenint en compte que els de la bobina i els suports de l’eix hauran d’estar a un dels laterals curts del taulell, i els de la manovella a un dels costats contigus al de l’eix i la bobina. – A continuació, unim els suports de plàstic a les 4 cantonades del taulell amb la cola d’impacte. – Seguidament, cargolem el suport metàl·lic de la bobina tenint en compte que, per suposat, aquest ha de quedar per la banda del taulell en la qual no estan Fig. 60 (font: elaboració pròpia) Fig. 61 (font: elaboració pròpia) Fig. 62 (font: elaboració pròpia)
els suports de plàstic. – Després, passem la bobina per l’eix i, continuadament, posem els suports de l’eix en els seus extrems i els cargolem al taulell (s’ha de tenir en compte que, en l’extrem de l’eix en el qual no hi ha el rotor, haurem de deixar un espai per a col·locar l’element que farà girar al conjunt amb la goma). -Aleshores, col·loquem les pales metàl·liques pels forats del suport que està més a prop del rotor. -Llavors, soldem els dos cables que surten de la bobina al rotor, amb l’objectiu que es pugui transmetre el corrent que s’induirà en aquesta. -Ara, cargolem la manovella de manera que quedi com a la figura 62. – Seguidament, unim els cables a les bases de les pales metàl·liques per a continuar allargant el circuit, ja que l’objectiu es portar el corrent a la bombeta. – Acontinuació, cargolem el suport de la bombeta al taulell. – Aleshores, anem allargant els dos cables que surten de les pales metàl·liques fins a que quedin davant del suport de la bombeta, però a una distància d’aproximadament 7 cm, com s’indica a la figura 63, ja que haurem fet dos forats prèviament per a passar els cables per sota del taulell a partir d’aquest punt. – Per a poder passar els cables pels forats i que quedin per sota del taulell, primer els hi haurem de treure el recobriment de plàstic (però no en tota la seva llargada, únicament per la part que quedarà sota el taulell). – Un cop fet això, ja podem passar els cables pels forats i fer que arribin al suport de la bombeta, que es el final del nostre circuit, com s’indica a la figura 64. Fig. 63 (font: elaboració pròpia) Fig. 64 (font: elaboració pròpia)
– El següent pas és unir l’element de rotació a l’eix de la bobina i col·locar la goma de manera que formi un sistema de transmissió de moviment47 entre la manovella i l’element de rotació. – Ara, col·loquem l’imant sobre el suport metàl·lic de la bobina (fent que coincideixin els colors, simplement per estètica). – Per últim, cargolem la bombeta al suport i ja tenim la construcció finalitzada: – A continuació, accionem la manovella fent-la rodar a una velocitat considerable i observem com, al fer rodar la bobina, s’encén la bombeta situada al final d’aquesta cadena. 13.4. CONCLUSIONS Amb aquest experiment hem demostrat que, efectivament, a través d’un camp magnètic es pot crear un corrent induït en un conductor, sempre i quan es faci variar el flux magnètic del camp. En l’apartat “L’aportació de Faraday a l’electromagnetisme” explico totes les maneres a través de les quals es pot fer variar el flux magnètic d’un camp, però en aquest experiment en concret hem utilitzat la rotació del nostre conductor (la bobina). És a dir, hem fet que hi hagués un canvi de posició relatiu entre el camp magnètic i el conductor, o el que és el mateix, que variés l’angle entre la superfície i el camp. Quan accionàvem la manovella ràpidament, la bombeta emetia més llum que si l’accionàvem lentament. Això té lloc ja que quant més ràpid es fa variar el flux magnètic, més intensitat té el Un sistema de transmissió de moviment permet passar el moviment entre eixos. 47 Fig. 65 (font: elaboració pròpia)
corrent induït, ja que aquests són directament proporcionals, tal i com s’indica a la llei de Faraday. Per tant, la conclusió d’aquest experiment és que sempre que es faci variar el flux d’un camp magnètic a prop d’un conductor, en aquest es generarà un corrent elèctric induït amb una intensitat proporcional a la velocitat de variació d’aquest flux.
14. L’EXPERIMENT D’HERTZ 14.1. OBJECTIU Amb aquesta pràctica l’objectiu és reproduir l’experiment que va realitzar Hertz per a demostrar l’existència de les ones electromagnètiques. 14.2. MATERIAL Per a reproduir l’experiment d’Hertz d’una manera més assequible, necessitem el material següent: – Cartolina negra. – Un encenedor de cuina piezoelèctric. – Cables de coure. – Tisores. – 2 cocodrils. – 4 barres metàl·liques de 0,5 cm de diàmetre i una llargada de 16 cm. – 4 trossos de plàstic de 8 cm de llargada, 3 cm d’amplada i 4 cm de profunditat del tipus que es pot observar a la figura 66. – Paper d’alumini. – Un focus de neó com el de la figura 67. – Cola d’impacte. – Cinta adhesiva. 14.3. PROCEDIMENT – Primerament, hem d’obrir l’encenedor de cuina i detectar on estan els cables que produeixen l’espurna. – Aleshores, agafem dos cables i en pelem un dels dos extrems de cadascun. Fig. 66 (font: elaboració pròpia) Fig. 67 (font: elaboració pròpia)
– A continuació, unim els nostres cables amb els de l’encenedor i ho recobrim amb cinta adhesiva per assegurar-nos que no es mogui. – Seguidament, tanquem l’encenedor un altre cop i ja tenim la nostra font d’alimentació per l’experiment. – El següent pas consisteix a tallar dos trossos iguals de cartolina d’aproximadament 12 cm d’amplada i 35 cm de llargada. – Ara, enganxem amb la cola d’impacte dos dels trossos de plàstic a cada rectangle de cartolina tallat prèviament. Aquests han de quedar centrats en el rectangle i separats entre ells per una distància d’aproximadament 17 cm. – Llavors, passem cada barra metàl·lica per cadascun dels trossos de plàstic, fent que quedin elevades de la cartolina uns 5,5 cm aproximadament. Els extrems de les barres han de quedar separades entre elles per 1 cm aproximadament. – Seguidament, tallem 2 trossos de paper d’alumini d’aproximadament 16 cm d’amplada x 32 cm de llargada. – Dobleguem els trossos de paper de plata per la meitat i enganxem els extrems que queden separats. – Després, els passem cadascun per una de les dues barres metàl·liques que estan en la mateixa cartolina. Les enganxem a les barres amb cinta adhesiva de manera que hi hagi la mateixa distància de paper per amunt i per avall de la barra i que quedin centrades en l’espai que va des del tros de plàstic amb el qual s’aguanta la barra, fins a l’extrem exterior d’aquesta (és a dir, l’extrem al costat del qual no té l’altra barra situada). – Aleshores, unim els cocodrils als cables que hem acoblat al encenedor. – A continuació, entre l’espai que formen les dues barres que no tenen el paper de plata, penjem el focus de neó. Fig. 68:Així és com hauria de quedar l’encenedor després d’unir els nostres cables. Fig. 69: Hem utilitzat un cablejat com el d’aquesta imatge.
– Ales altres dues barres restants, connectem els cocodrils. – Llavors, col·loquem els conjunts de les dues barres l’un davant de l’altre, no massa separats. – Darrerament, al prèmer el gallet de l’encenedor, comprovem com s’encén el focus de neó. 14.4. CONCLUSIONS Cada vegada que premem el gatell de l’encenedor de cuina es generen ones electromagnètiques al llarg de les barres metàl·liques a les quals estan connectats els cocodrils. Aquestes ones es propagen per l’espai a la velocitat de la llum i arriben a les altres barres metàl·liques, a les quals està connectat el focus de neó. Aquest s’encén ja que les ones creen un corrent induït per les oscil·lacions dels camps magnètics i elèctrics gràcies als quals aquestes es propaguen. Per tant, a través d’aquest experiment hem pogut demostrar l’existència de les ones electromagnètiques, tal com va predir Maxwell a les seves equacions. Fig. 70: En aquesta imatge es poden observar les barres metàl·liques utilitzades. Fig. 71: Representació gràfica de les oscil·lacions dels camps magnètics i elèctrics pels quals es propaguen les ones electromagnètiques.
ART FINAL
15. CONCLUSIONS 15.1. RESPOSTA A LA HIPÒTESI Com van afectar els descobriments històrics de l’electromagnetisme a la nostra societat? Aquesta és la pregunta que vaig fer-me al començar aquest treball. Ara que l’estic a punt d’acabar, veig que tinc la resposta. Gràcies a la recerca teòrica que he fet i a la corroboració pràctica que he confeccionat, he pogut comprovar que els descobriments històrics de l’electromagnetisme van suposar un canvi increíble en la nostra societat, i sense dubte puc afirmar que aquesta no seria la mateixa si aquests descobriments no haguessin tingut lloc. Com ja he dit en apartats anteriors del treball, la ciència és una cadena formada per molts científics i les seves aportacions a aquesta. Per tant, alguns dels descobriments dels que he parlat no van tenir una repercussió immediata en la societat, però van servir per a que descobriments posteriors sí la tinguessin. I a continuació ho veurem. Comencem pel principi: l’accident d’Oersted. L’experiment que, per casualitat, va fer que Oersted descobrís una interacció entre electricitat i magnetisme va suposar el tret de sortida del que coneixem actualment com a electromagnetisme. En un primer moment, Oersted no va saber interpretar el fenòmen que va observar, però va anar experimentant fins que va trobar el perquè de la seva experiència. La publicació de l’obra d’Oersted en la qual explicava la seva experiència i el “boca a boca” de la gent, van fer que molts científics comencessin a investigar i a crear els seus propis experiments, i això va suposar que s’avancés de manera considerablement ràpida en aquest nou camp de la física. Entre aquests científics pioners que volien descobrir cada dia més sobre l’electromagnetisme, va haver-hi un de molt important: Michael Faraday. El descobriment de Faraday (que està explicat a l’apartat “L’aportació de Faraday a l’electromagnetisme”, pels despistats que no recordin quin va ser) és el fonament físic que s’utilitza a les centrals elèctriques, que són les que ens proporcionen l’energia diaria que
utilitzem per a moltíssimes coses: carregar el telèfon, utilitzar tots els aparells electrònics que necessiten corrent elèctric, poder tenir llum artificial, cuinar, etc. La generació d’energia elèctrica consisteix en transformar algun tipus d’energia, que pot ser química48, mecànica49, tèrmica50 o lluminosa51(entre d’altres), en energia elèctrica. La generació d’aquesta energia elèctrica es realitza mitjançant un generador, que consta de dues peces fonamentals: 1. L’estator: consta d’una armadura metàl·lica que romàn en repós, coberta en el seu interior per uns fils de coure, que formen diferents circuits. 2. El rotor: està a l’interior de l’estator i gira accionat per una turbina. Està format per un eix i, en la seva part més externa, per uns circuits que es transformen en electroimants (dels quals hem parlat en apartats anteriors) quan se’ls hi aplica una petita cantiat de corrent. Quan el rotor gira a gran velocitat, degut a l’energia mecànica aplicada a las turbines, es produeixen corrents elèctrics als fils de coure de l’interior de l’estator gràcies a la inducció electromagnètica. Aquests corrents proporcionen al generador la força electromotriu52 que és capaç de produir energia elèctrica a qualsevol sistema connectat a ell. 48 química. L’energia mecànica és aquella que es genera a partir de moviment. 49 El terme “energia tèrmica” es refereix a tota aquella energia que ve donada en forma de calor. 50 És tota aquella energia que s’obté a partir de radiacions de la llum. 51 52 transformador elèctric. Es defineix com el treball que el dispositiu realitza per fer passar pel seu interior una unitat de càrrega positiva. Fig. 72: Imatge d’un estator. Fig. 73: Imatge d’un rotor.
Els alternadors també utilitzen la inducció electromagnètica per a funcionar. Consisteixen en una espira plana que gira a velocitat angular constant dins d’un camp magnètic uniforme creat per imants. Els extrems de l’espira estan connectats a dos anells que giren de manera solidaria amb aquesta. Un circuit extern s’acopla als anells mitjançant dues escombretes. A mesura que gira l’espira va variant el nombre de línies de camp que l’atravessen, degut a que varia la superfície de l’espira exposada als pols de l’imant. Aleshores apareix un corrent elèctric a l’espira que fa circular el corrent elèctric en el circuit exterior. La força electromotriu induïda varia en el temps de manera periòdica i canvia alternativament de polaritat. D’aquesta manera es pot convertir el corrent continu en corrent altern. Però quina utilitat pot tenir això? El circuit ideal seria aquell que aprofités el 100% de l’energia que produeix la seva font. Però a la pràctica és impossible. Especialment quan els conductors són molt llargs (com per exemple des de les centrals elèctriques fins a les cases) s’ocasiona una considerable pèrdua d’energia. Però produïr i portar fins als estaminets el corrent altern és més barat i fàcil que portar corrent continu. Els alternadors són un element clau a les centrals elèctriques ja que, abans de passar per les línies d’alta tensió, es converteix el corrent continu en corrent altern per a disminuir les pèrdues. Per tant, podem dir que el descobriment de Faraday va permetre que la producció i el transport de corrent elèctric fossin possibles. Això va afectar de manera positiva a la societat ja que podem gaudir d’energia elèctrica pràcticament a tot arreu i això facilita moltíssimes tasques que ens fan el dia a dia més dinàmic. També s’ha creat tota una indústria gràcies a aquest camp d’obtenció i transport de l’energia i això fa que milions de persones arreu del món tinguin una feina i puguin arribar a final de mes. Per altra banda, aquesta disponibilitat permanent de l’energia elèctrica ha fet que la nostra societat es converteixi en una consumidora voraç. Cada vegada volem més i la Fig. 74: Imatge d’unes línies d’alta tensió.
consciència de preservar el benestar de la natura i dels seus recursos està molt poc present. Una gran part de les centrals elèctriques utilitzen combustibles fòssils com a matèria primera per a acabar obtenint energia elèctrica, i això contamina moltíssim per culpa dels gasos que es desprenen en la seva combustió. Tot i que és veritat que hi ha alternatives eficaces, no ho són prou com perquè es pugui prescindir d’aquests combustibles fòssils. I com que el món, avui en dia, no pot funcionar sense energia elèctrica, simplement no pararem de consumir fins que ja no es pugui més. Trist però cert. Un altre científic del que he parlat ha sigut Ampère, l’aportació del qual està explicada íntegrament a l’apartat “L’aportació d’Ampère a l’electromagnetisme”. La seva llei ens permet calcular camps magnètics creats per corrents elèctrics. Per tant, qualsevol màquina que utilitzi corrents elèctrics per a crear camps magnètics, necessita de la llei d’Ampère per a poder calcular-los i que el seu funcionament sigui correcte. Les aplicacions de la seva llei abarquen molts camps: des de la indústria fins a la medicina. Però les aplicacions més importants són en aquest segon camp. Els camps magnètics induïts, en medicina, s’utilitzen per a les ressonàncies magnètiques. Però que és la ressonància magnètica? És un fenòmen físic que consisteix en que els nuclis de determinats àtoms són capaços d’absorvir i emetre energia al ser excitats mitjançant senyals de radiofreqüència quan es troben a l’interior d’un camp magnètic intens. Aquest camp magnètic es genera a través de corrents elèctrics i no a través d’imants ja que induïr un camp magnètic molt intens amb un corrent elèctric és molt més fàcil que aconseguir imants amb un magnetisme tan elevat de manera natural. El paper de la llei d’Ampère en tot aquest procés és el càlcul del camp magnètic que es crea, sabent la informació del corrent elèctric a través del qual l’induïm, perquè segons la regió del cos o el tipus de ressonància, es necessiten camps magnètics més o menys intensos. Fig. 75: Il·lustració d’una màquina per a realitzar ressonàncies magnètiques.
Ara és el torn d’Hertz. Com ja sabem, va demostrar experimentalment l’existència de les ones electromagnètiques i també va descobrir com produir-les. Les aplicacions de les ones electromagnètiques són moltíssimes, de fet n’he explicat algunes a l’apartat “L’aportació d’Hertz a l’electromagnetisme”, però ara m’interessa endinsar-me en usos concrets d’aquestes per a que es vegi de manera clara l’impressionant avenç que va suposar aquest descobriment per a la societat. Les ones ràdio tenen aplicacions terapèutiques que es duen a terme mitjançant l’ús de corrents alterns de freqüències superiors als 100 kHz. A part del seu efecte tèrmic que té efectes positius sobre la musculatura, també augmenten la circulació i fan una acció analgèsica53 i antiinflamatòria. Aquestes ones i les seves aplicacions són molt utilitzades en la fisioteràpia per a gent que pateix de mals musculars, i en els esportistes professionals per a obtenir un major rendiment. Els raigs infrarroigs s’utilitzen moltíssim en la nostra vida quotidiana: quan utilitzem el comandament a distància dels televisors, les ones per les quals viatgen aquestes informacions són raigs infrarroigs. També, als supermercats, la lectura de codis de barres que permet la identificació de cada producte i el seu preu es fa a través de raigs infrarroigs. Aquestes són només algunes de les seves aplicacions, ja que s’utilitzen també en sistemes de seguretat (tots tenim al cap la típica escena de pel·lícula d’espies en la qual aquests han de passar per una sala plena de línies vermelles sense tocar-les; aquelles línies són raigs infrarroigs), medicina, aparells de mesura, etc. Els raigs X són molt coneguts i s’utilitzen sobretot en camps d’investigació científica, en la indústria i en la medicina. L’estudi dels raigs X ha exercit un paper primordial en la física teòrica, sobretot en el desenvolupament de la mecànica quàntica. Com a eina d’investigació, han permès confirmar experimentalment les teories cristal·logràfiques54 ja que, utilitzant mètodes de difracció de raigs X, és possible identificar les substàncies cristal·lines i determinar la seva estructura. De reducció o eleminació del dolor. 53 54 propietats dels cristalls i la seva classificació.
També existeixen altres aplicacions dels raigs X, entre les quals destaquen la identificació de gemmes55 falses, la detecció de mercaderies de contraban a les duanes, en els aeroports s’empren per a detectar objectes perillosos dels equipatjes, també s’utilitzen per a determinar l’autenticitat d’obres d’art, etc. I, per si tot això fós poc, s’aprofiten els raigs X per a tractar determinades enfermetats, en particular el càncer, exposant els tumors a la radiació. Per últim, cal dir que les telecomunicacions deuen la seva existència al descobriment d’Hertz, ja que les ones electromagnètiques són la seva base, a través de la qual es transmet la informació. I no només les telecomunicacions, també les ones del Wi-Fi que utilitzem per a gaudir d’internet als establiments són ones electromagnètiques. Podria seguir explicant més aplicacions de les ones electromagnètiques i extendre’m una infinitat de pàgines, però considero que el que ja he explicat dóna una visió representativa de tots els usos que aquestes tenen. En definitiva, l’espectre electromagnètic, al ser tan variat, ens dóna moltíssimes possibilitats d’aplicacions que abarquen pràcticament tots els camps: des de la criminologia, fins a la medicina, passant per la investigació i la joieria. És a dir, les ones electromagnètiques són una part imprescindible de moltes activitats que contribueixen a que la nostra societat sigui com és avui en dia. Com a conclusió final i resposta a la meva hipòtesi he de dir que els descobriments històrics de l’electromagnetisme van suposar un avenç tecnològic increíble que ha fet que la nostra societat avui en dia estigui molt desenvolupada des del punt de vista dels recursos que tenim al nostre abast a l’hora de solucionar un problema de qualsevol tipus. Per altra banda, aquest avenç tecnològic ha tingut unes repercussions socials traduïdes en una sobreexplotació dels recursos naturals i un consum exagerat d’energia. És a dir, aquests descobriments van afectar de manera tant positiva com negativa, però tots podem contribuïr amb la nostra petita aportació a que la 55 joieria. Fig. 76: Il·lustració representativa de les telecomunicacions.
balança s’inclini més cap a la banda positiva estalviant energia i fent un ús responsable dels recursos que tenim. 15.2. LLAVOR DE DIVULGACIÓ CIENTÍFICA Com he explicat en diverses ocasions al llarg d’aquest treball, trobo que la nostra societat és molt pobre en quant a cultura científica. Des del meu punt de vista, aquest és un problema al qual hem de posar solució, així que vaig voler utilitzar aquest projecte com a eina de divulgació des de que vaig començar. El problema era que no sabia com fer-ho. Al principi vaig pensar en crear una web divulgatòria, però després vaig caure en que realment ningú coneixeria la meva web, i les visites que rebria serien, bàsicament, de les mateixes persones que ja haurien llegit el meu treball. Aleshores em vaig decidir a penjar el meu treball a una web anomenada www.monografias.com . Aquesta web és un centre de tesis, publicacions, documents, treballs i recursos educatius molt ampli, en el qual pots trobar informació de tots els camps imaginables: des d’administració i finances fins a paleontologia, passant per computació i art i cultura. D’aquesta manera, qualsevol persona que entri a aquesta web podrà disposar del meu treball i llegir-lo. 15.3. CONCLUSIONS PERSONALS “Si poguessis tornar enrere, canviaries alguna cosa del procés del treball de recerca?” Quan faltaven pocs dies per a que acabés el treball em van fer aquesta pregunta, que em va deixar reflexionant. I la veritat és que no, no canviaria res del que he fet fins ara per a obtenir un altre resultat d’aquest treball de recerca. És veritat que sempre es pot millorar, i que mai t’acabes de sentir 100% satisfet perquè saps que hauries pogut donar més en alguns moments, però em sento molt orgullosa de tota la feina feta. Va ser difícil trobar una hipòtesi de la qual es poguessin treure unes conclusions decents, també va ser difícil que funcionessin tots els experiments i que fossin prou entenedors com per a què es veiessin reflectides les explicacions teòriques en ells. Però després de mesos de feina i de molts mals de cap, puc dir que aquest treball m’ha servit molt per al futur. No només perquè ara sé com fer un treball de recerca, sinó perquè he après el
que és esforçar-se una mica cada dia per arribar a un objectiu final, el qual no m’imaginava que fós tan satisfactori d’aconseguir.
16. BIBLIOGRAFIA I WEBGRAFIA Per a realitzar el meu treball de recerca he utilitzat els llibres i webs següents: – Llibre de Física de 2n de Batxillerat, escrit per Joan Mercadé, Salvador Serra i Montserrat Armengol (de l’editorial McGraw Hill) – Llibre de Tecnologia Industrual de 2n de Batxillerat, escrit per Joan Joseph, Jaume Garravé, Francesc Garófano i Francesc Vila (de l’editorial McGraw Hill) • http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/ampere.html • http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/magnet/induccion.html • http://akifrases.com/frase/202274 • http://bloggeros5b.blogspot.com.es/2013/01/experimento-de-oersted-faraday.html • http://cmagnetico.blogspot.com.es/2009/06/fuerza-magnetica-entre-dos-conductores.html • http://cmagnetico.blogspot.com.es/2009/06/fuerza-magnetica-entre-dos-conductores.html • http://dbdermatologiabarcelona.com/docs/sol.pdf • http://dlc.iec.cat/index.html • http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/3000/3232/html/ 4_fuerzas_entre_corrientes_paralelas_definicin_de_amperio.html • http://electromagnetismounexpo.blogspot.com.es/2011/10/normal-0-21-false-false-false-es-ve- x.html • http://elfisicoloco.blogspot.com.es/2013/02/campo-magnetico-creado-por-un-conductor.html • http://elfisicoloco.blogspot.com.es/2013/02/campo-magnetico-creado-por-un-conductor.html • http://elfisicoloco.blogspot.com.es/2013/02/ley-de-ampere.html • http://es.slideshare.net/maguicerrutti1/campo-magntico-creado-por-un-solenoide-2? next_slideshow=1 • http://fisicajuanpablo.blogspot.com.es/2010/01/aplicaciones-de-las-ondas.html • http://fisicajuanpablo.blogspot.com.es/2010/01/aplicaciones-de-las-ondas.html • http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/amplaw.html • http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/biosav.html • http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Electromagnetismo/ Electromagnetismo10.htm
• http://ioc.xtec.cat/materials/FP/Materials/0801_IEA/IEA_0801_M10/web/html/media/ fp_iea_m10_u2_pdfindex.pdf • http://queaprendemoshoy.com/como-funciona-una-resonancia-magnetica/ • http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/ Ondasbachillerato/ondasEM/ondasEleMag_indice.htm • http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/ Ondasbachillerato/ondasEM/origen_oem.htm • http://www-spof.gsfc.nasa.gov/stargaze/Moersted.htm • http://www.asifunciona.com/biografias/ampere/ampere.htm • http://www.azquotes.com/author/28161-Andre_Marie_Ampere • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/e/edison.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/f/faraday.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/g/galvani.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/g/gilbert.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/herschel.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hertz.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/l/leibniz.htm • http://www.biografiasyvidas.com/biografia/m/maxwell.htm • http://www.biologia.arizona.edu/biochemistry/tutorials/chemistry/page3.html • http://www.buscabiografias.com/biografia/verDetalle/6268/Wilhelm%20Roentgen • http://www.electricidadbasica.net/ca.htm • http://www.enciclopedia.cat/EC-GEC-0158322.xml • http://www.enciclopedia.cat/EC-GEC-0188857.xml • http://www.librosvivos.net/smtc/pagporformulario.asp? idIdioma=ES&TemaClave=1124&pagina=11&est=3 • http://www.maquinascientificas.es/07experimento%20oersted.htm • http://www.monografias.com/trabajos22/electromagnetismo/electromagnetismo • /trabajos70/induccion-electromagnetica/induccion- electromagnetica • /trabajos82/el-electromagnetismo/el-electromagnetismo
• /trabajos94/millikan-y-su-gota-aceite/millikan-y-su-gota- aceite • /trabajos95/rayos-x-su-historia-y-su-actualidad/rayos-x-su- historia-y-su-actualidad#descubrima • http://www.phy6.org/earthmag/Moersted.htm • http://www.rrfisica.cat/rrfisica/a_cortel_001/efecte_fotoelectric_guia_profe.htm • http://www.rrfisica.cat/rrfisica/raco_obscur/faraday_001/faraday_001.htm • http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_magnetico/ampere/ampere.htm • http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/varilla/varilla.htm • http://www.taringa.net/posts/info/13839555/Funcionamiento-de-las-centrales-electricas.html • http://www.ub.edu/didactica_ciencies/cmn/dos/glossari/glos6htm.htm • http://www.voltimum.es/articulos-tecnicos/aplicaciones-induccion-electromagnetica • http://www.wordreference.com • http://www.xtec.cat/iesemperadorcarles/webfq/elisa/experiencieselectro/conductorectilini.htm • http://www.xtec.cat/~flopez1/web%20magnetisme/projecte/comportament.htm • http://www.xtec.cat/~jpere239/4tESO/Apunts/ProbResOnes.pdf • http://www.xtec.cat/~mpere3/xx_moderna/fotoelectric.htm • https://ca.wikipedia.org/wiki/Alfa • https://ca.wikipedia.org/wiki/Amplitud_modulada • https://ca.wikipedia.org/wiki/Cable_coaxial • https://ca.wikipedia.org/wiki/Camp_electromagnètic • https://ca.wikipedia.org/wiki/Corrent_altern • https://ca.wikipedia.org/wiki/Càlcul_diferencial • https://ca.wikipedia.org/wiki/Càrrega_elèctrica • https://ca.wikipedia.org/wiki/D%C3%ADode • https://ca.wikipedia.org/wiki/Efecte_fotoelèctric • https://ca.wikipedia.org/wiki/Electricitat_estàtica • https://ca.wikipedia.org/wiki/Electró • https://ca.wikipedia.org/wiki/Elèctrode • https://ca.wikipedia.org/wiki/Equació_diferencial
• https://ca.wikipedia.org/wiki/Espectre • https://ca.wikipedia.org/wiki/Espectre_visible#Hist.C3.B2ria • https://ca.wikipedia.org/wiki/Flux_magnètic • https://ca.wikipedia.org/wiki/Forces_fonamentals • https://ca.wikipedia.org/wiki/Força_electromotriu • https://ca.wikipedia.org/wiki/Freqüència_modulada • https://ca.wikipedia.org/wiki/Front_d%27ona • https://ca.wikipedia.org/wiki/Galvanisme • https://ca.wikipedia.org/wiki/Intensitat • https://ca.wikipedia.org/wiki/Llei_de_conservació • https://ca.wikipedia.org/wiki/Lleis_de_Newton#Primera_llei_-_principi_d.27in.C3.A8rcia • https://ca.wikipedia.org/wiki/Longitud_d%27ona • https://ca.wikipedia.org/wiki/Magnetró • https://ca.wikipedia.org/wiki/Medalla_Copley • https://ca.wikipedia.org/wiki/Menlo_Park_(Nova_Jersey) • https://ca.wikipedia.org/wiki/Microones • https://ca.wikipedia.org/wiki/Mètodes_infinitesimals • https://ca.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_subatòmica • https://ca.wikipedia.org/wiki/Polvoritzador • https://ca.wikipedia.org/wiki/Radiació_de_sincrotró • https://ca.wikipedia.org/wiki/Radioactivitat • https://ca.wikipedia.org/wiki/Reflexió • https://ca.wikipedia.org/wiki/Regla_de_la_mà_dreta • https://ca.wikipedia.org/wiki/Relativitat_especial • https://ca.wikipedia.org/wiki/Revolució_Francesa • https://ca.wikipedia.org/wiki/Royal_Society • https://ca.wikipedia.org/wiki/Sincrotró • https://ca.wikipedia.org/wiki/Vàlvula_de_buit • https://en.wikipedia.org/wiki/Newington_Butts • https://en.wikiquote.org/wiki/Hans_Christian_Ørsted • https://en.wikiquote.org/wiki/Michael_Faraday#Quotes
• https://es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad_magnética • https://es.wikipedia.org/wiki/Royal_Institution • https://es.wikipedia.org/wiki/Sandemania • https://es.wikipedia.org/wiki/Solenoide • https://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Crookes • https://es.wikiquote.org/wiki/Electrón • https://fr.wikipedia.org/wiki/Université_de_France • https://translate.google.com • https://universocuantico.wordpress.com/2009/06/14/experimento-de-michelson-morley/ • https://www.fisicalab.com/apartado/campo-magnetico-creado-corriente-electrica#contenidos • https://www.goodreads.com/author/quotes/318630.Heinrich_Hertz • https://www.scribd.com/doc/98955439/Aplicaciones-Industriales-Del-Campo-Magnetico • https://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Teoria/Leccion_Induccion_Electromagnetica.pdf
NNEXOS
17. ENQUESTA SOBRE L’ELECTROMAGNETISME La primera pregunta de l’enquesta que vaig realitzar era la següent: “Saps què és l’electromagnetisme?” Les respostes obtingudes estan expressades en aquest gràfic: Es pot veure clarament que la majoria de la gent afirma que sí sap què és l’electromagnetisme, però donem-li un cop d’ull a la següent pregunta i a les respostes. “Quin fonament científic creus que utilitza un microones?” De totes les respostes que vaig rebre, només una va ser la correcta: “Escalfament de l'aigua dels aliments a través del canvi harmònic de la seva polaritat utilitzant ones e.m. en el rang de freqüències de les microones a través d'un camp magnètic variable”. La penúltima pregunta era: “Quin científic creus que va descobrir la inducció electromagnètica?” i vaig obtenir les següents respostes: Fig. 77
Més de la majoria de la gent que va respondre l’enquesta (54,5%) no sabia que va ser Faraday qui va descobrir la inducció electromagnètica. I per últim, la darrera pregunta era: “Creus que l’electromagnetisme és important pel teu dia a dia?” Les respostes van ser les següents: Un 18,2% de la gent no sap si l’electromagnetisme és important en el seu dia a dia o no creu que ho és. Em sembla un percentatge una mica excessiu tenint en compte que és imprescindible en la vida quotidiana. Aquesta enquesta em va servir per confirmar la meva suposició de que, en general, la cultura científica sobre l’electromagnetisme de la gent és molt limitada. Fig. 79
| Página siguiente |