FISICA II

Os voy a describir el procedimiento burocrático más largo al que me he enfrentado nunca.  Duró nada menos que 5 años, e involucró a unos 50 empleados públicos. Para rellenar el expediente del proceso, los empleados públicos  levantaron unas 32 actas en respuesta a los más de 40 formularios que tuve que rellenar.  Para rellenar cada uno de los formularios empleé hasta tres horas para cada uno, y fue conveniente, aunque no obligatorio,  atender a unos cursos que duraron más de mil horas.  Al final de semejante odisea, me dieron un papelito, previo pago de dos mil pesetas, en el que ponía que era licenciado en Física. Un año más tarde me dieron un diploma firmado por un rector y por un rey.

Todo esto pasó en otro siglo y en otra Universidad.  Además, yo no lo viví realmente así.  Yo estudié física por vocación, me divertí mucho aprendiendo  o intentando aprender.  Pero tengo para mi que muchos de mis compañeros ponían el mismo entusiasmo en aprender física que el que pongo yo en aprender derecho administrativo  cuando voy a la Delegación de Hacienda.   Y es que había que tener mucha imaginación para estar sentado en aquellas clases con 100 alumnos en las que el profesor, tiza en mano,  llenaba la pizarra de ecuaciones que, se supone, describian la naturaleza.

En toda la carrera nunca un profesor llevó un experimento a clase. Nunca.   Los estudiantes íbamos al laboratorio, pero era una actividad que estaba concentrada en una única semana, y los profesores del laboratorio no eran los mismos que los de las clases de teoría. Así,  uno podía acabar la carrera y no haber visto nunca las decenas de experimentos fundamentales fundamentaban ese cuerpo de conocimiento llamado Física.  La física, había que creersela. Por tanto, lo más tangible de todo aquello terminaba siendo el titulo, el diploma, el expediente, las notas.

Los alumnos de Física II del curso 2010-11 no podrán decir lo mismo de su profesor, y este blog proporciona abundantes pruebas de ello. Pero me pregunto si muchos de ellos tienen la madurez necesaria para apreciarlo.   Está claro que hay gente que está dispuesta a tomar atajos para conseguir rellenar el expediente del que hablaba más arriba,  sin tomarse la molestia de intentar aprender.  Me horroriza la idea de que pueda haber gente con menos de 20 años, sentada en mi clase, pensando en aprobar la asignatura, para sacar el curso y finalmente el grado, tener el dichoso papelito de licenciado, o como se llame ahora, y salir corriendo a preparar unas oposiciones de profesor de secundaria, y que en ese plan el interés por aprender Química, Física, Matemáticas, juegue un papel menor y supeditado al objetivo principal: el puñetero titulo de las narices.

Me pregunto cuánto han cambiado las cosas en la Universidad de hoy, y creo que no mucho. Alumnos sentados en pupitres aguantando clases de profesores que son percibidos  como el funcionario que pone el sello en un expediente.  Unos y otros formamos parte de un sistema que está demasiado lejos de lo que predicaba  Piaget

“La meta principal de la educación es crear hombres que sean capaces de hacer cosas nuevas no simplemente de repetir lo que otras generaciones han hecho; hombres que sean creativos, inventores y descubridores. La segunda meta de la educación es la de formar mentes que sean críticas, que puedan verificar y no aceptar todo lo que se les ofrece”.

De acuerdo con un estudio reciente de la UCM sólo un 8% de los estudiantes universitarios quiere montar su negocio frente al 30% que quieren ser funcionarios.  A la luz de lo aquí escrito, no resulta  sorprendente.  Y menos aun cuando se tiene en cuenta que el  discurso políticamente correcto de las universidades públicas españolas es hostil a la iniciativa privada.

Lo cierto es que el mundo que ha hecho posible esta sinrazón de estudiantes aspirando a la prejubilación se está muriendo.  Por si alguien ha estado muy ocupado con el Twiter o el Facebook y no sabe en qué mundo vive,  España tiene un 42% de paro juvenil, nadie (FMI, Banco de España, el propio gobierno) apuesta porque se empiece a crear empleo antes de 2016, algunos dicen que hasta el 2020, y no está el horno para algunos de los bollos que salen de la universidad. Aquí mucha gente va a tener que crear su propio puesto de trabajo, porque no se lo van a dar.

Otro día intento algo más optimista.

Coincidiendo con nuestras clases sobre la Ley de Faraday de inducción electromagnética, se ha batido el record de producción de energía eólica en España durante el mes de Marzo de 2011. De acuerdo con Red Eléctrica Española La producción total de energía eléctrica ascendió a 4738  GWhora (más info. aquí ).  Teniendo en cuenta que Iberdrola cobra el kW hora a 0.14€, esto quiere decir que  el viento ha generado, en el mes de marzo,  una facturación de unos 663 millones de euros.  Es decir, el equivalente al presupuesto de la UA de 3 años.

Además, y por primera vez, en el mes de Marzo de 2011  la energía eólica ha sido la principal fuente de energía eléctrica,  con un 21% del total del “share”,  superando a la energía nuclear, ciclos combinados y  la hidráulica.

Pero, ¿cómo se convierte la energía del viento en energía eléctrica?. O dicho de otro modo: ¿cuál es el principio físico que permite convertir el viento en 600 millones de euros?.   La idea es la siguiente : el viento mueve las aspas de los molinos de viento y este movimiento se convierte en energía eléctrica mediante un generador eléctrico.  Esto ocurre gracias a la inducción magnética, descubierta por Faraday en 1831: en un circuito inmerso en un flujo magnético que depende del tiempo se genera una fuerza electromotriz, es decir trabajo eléctrico. En este caso la energía mecánica de las aspas en movimiento se usa para mover un circuito en  un campo magnético y conseguir así un flujo variable y el consiguiente trabajo eléctrico.

Los molinos de viento que hacen esto posible son un prodigio de ingeniería. Los aerogeneradores están diseñados para aprovechar  las características específicas de la energía eólica en su emplazamiento.  Mediante  simulaciones computacionales de modelado aerodinámico se  determinan la altura de la torre óptima, los sistemas de control, el número de aspas  y su forma.

Se suele decir que cuando Faraday presentó su descubrimiento en la Royal Society en Londres el primer ministro le preguntó por la utilidad del fenómeno a lo cuál Faraday respondió: “no lo se, pero algún día usted cobrará impuestos por ello”.   Aunque la leyenda es posiblemente falsa,  ilustra bastante bien las complejas relaciones entre los avances cientificos y las aplicaciones tecnológicas.

Como todo el mundo sabe, los imanes se atraen o se repelen entre sí, dependiendo de la orientación relativa de sus polos.  En clase estamos viendo que un cable por el que circula corriente también se comporta como un imán. La intensidad del campo magnético creada por un circuito es proporcional a la corriente que cicula por él y depende de manera complicada de la forma del circuito.

Consideremos el caso de una bobina como la de la figura.  El campo magnético en el interior de la bobina es paralelo a su eje.  En el centro de la bobina la intensidad del campo viene dada por la expresión

B= mu_0  n I

donde mu_0 es la permeablidad magnética del vacío,  n es el número de vueltas por unidad de longitud e I  es la intensidad de la corriente que circula por la bobina.  Así, para una bobina con 100 vueltas por metro, por la que circula 1 amperio de corriente, se genera un campo B=1.2 Gauss, más de dos veces el campo magnético de la tierra.  Como es relativamente fácil aumentar n en un factor 10, podemos tener campos de 10 Gauss.

Lógicamente el campo magnético disminuye  de intensidad al alejarse del centro de la bobina.  Por tanto, hay un gradiente de campo magnético a medida que nos movemos de dentro a fuera de la bobina.  Por otro lado, un sistema con momento magnético m en presencia de un campo B tiene una energía potencial de interacción magnética dada por:

U=- m .B

Esta energía es la que hace que una brújula quiera apuntar su momento magnético paralelo al campo B de la tierra.  Pero esta interacción también puede dar lugar a un movimiento de traslación, tal y como todo el mundo ha visto jugando con dos imanes.  Dado que el campo B generado por un imán varía con la distancia, un segundo imán variará su energía de interacción magnética al acercarse. Dependiendo de la orientación relativa del momento m del segundo imán y el campo creado por el primero,  la energía aumentará o disminuirá, dando lugar a repulsión o atracción respectivamente.

Con estos ingredientes, estamos en condiciones de entender el experimento que se ven en el vídeo.

De acuerdo con la ley de Biot Savart, una corriente genera un campo magnético. En clase hemos aprendido a calcular el campo creado por un hilo infinito de  que lleva corriente I a lo largo del eje z:

B(x,y)= (mu I/2 Pi)   (-y,x)/(x^2+y^2)

donde mu es la permeabilidad magnética del vacío, (x,y) es la coordenada con respecto al hilo.  Pero….¿qué aspecto tiene el campo magnético descrito por esta ecuación?.  En primer lugar, como el hilo es infinitamente largo,  el campo es independiente de la coordenada z. Por tanto, si representamos el campo en un plano con z constante, es decir, en un plano perpendicular al hilo, sabremos como es el campo en todo el espacio.  En la figura de arriba a la izquierda vemos el campo en dicho plano.  La característica más notable es que el campo “circula” alrededor del hilo.  en la figura de arriba a la derecha vemos las líneas de campo, que forman círculos concéntricos centrados en el hilo.    En la figura de abajo vemos una representación tridimensional del campo.

Otra forma de “visualizar”  el campo magnético consiste en usar la herramienta que vemos en la foto en el panel. Se trata de una placa de vidrio en la que se han insertado una red de pequeñas agujas magnéticas que se ponen paralelas al campo magnético. En este caso hemos puesto la placa encima de un imán y podemos ver las líneas de campo.

En la entrada anterior hemos visto como los imanes ejercen fuerzas sobre otros imanes, y como las corrientes ejercen fuerzas sobre imanes. Aquí vamos a considerar el efecto recíproco: los imanes ejercen fuerzas sobre las corrientes. Para demostrarlo situamos un hilo conductor encima de un imán. En ausencia de corriente el imán no ejerce ninguna fuerza apreciable sobre el hilo. Al hacer pasar una corriente elevada (1A) por el hilo el imán ejerce una fuerza sobre éste.
En éste vídeo rodado en el laboratorio se puede ver el efecto.

Éste otro vídeo casero ilustra el mismo concepto

La fuerza que ejerce un imán sobre un hilo conductor corriente viene dada por la expresión
F=L I x B
donde el vector I tiene por módulo la intensidad de la corriente que circula por el hilo y apunta a lo largo de éste y B es el campo magnético creado por el imán. Así, si tenemos un circuito cuadrado, la fuerza que ejerce un campo magnético en un lado es igual en módulo y dirección, pero opuesta en sentido, a la que ejerce sobre el lado opuesto. En esta situación decimos que el circuito cuadrado está sometido a un par de fuerza debido al  campo magnético que hará rotar el circuito. Así, la combinación de corriente eléctrica y campo magnético da lugar a movimiento. Este es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.  En éste vídeo se puede ver uno en funcionamiento, así como la explicación del funcionamiento:

Y esta es la versión que hicimos en clase

En nuestra primera clase de magnetismo hemos estudiado las propiedades de la fuerza magnética y cómo ésta es diferente   de la gravitatoria y de la eléctrica.

Una de las demostraciones que hemos hecho en clase consiste en “desorientar” la aguja de una brújula acercándole un imán.  

Aquí se puede ver una variante del experimento de Öersted en el que se prueba que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos.  Para ello, ponemos una brújula debajo de un hilo por el cual hacemos pasar una corriente bastante grande (1 Ampere).

El hilo conductor se situa orientado hacia el polo norte, de manera que cuando NO pasa corriente la aguja de l a brújjula y  el hilo están paralos.  Cuando pasa corriente se genera un campo magnético perpendicular al hilo. Si el campo fuese suficientemente grande la brújula se orientaría perpendicular al hilo. En este montaje el campo creado por el hilo no es lo suficientemente grande y la aguja se gira formando un ángulo diferente de 0 con el hilo y con su normal.

En este vídeo extraido del curso “El Universo Mecánico” se puede ver el experimento de Oersted bastante mejor:

En estos días en los que la tragedia de Japón nos hace pensar  un poco más sobre las fuentes de energía, quizá no está de más aprender a hacerse una batería en casa con un limón y un par de electrodos metálicos de Zinc y Cobre.

El “montaje” es el que se ve en la foto: pinchamos los dos electrodos en el limón y conectamos el voltímetro en paralelo para medir la diferncia de potencial. En el caso de los electrodos de Zn y Cu tenemos una diferencia de 0.9 Volts.  Depués medimos la corriente y obtenemos un valor de unos 60 microAmp.   La potencia de nuestra batería es de unos 50 microW. Insuficiente para casi nada práctico, pero barato, natural y … huele bien.

Este es el vídeo del experimento rodado en clase.

El 10 de Marzo aprovechamos la segunda sesión de tutorías para realizar un examen (palabra tabú) del primer tercio de la asignatura.  El examen constaba de un test de respuesta múltiple  (4 respuestas)  y un problema, a elegir entre dos. En ambos casos los estudiantes podían consultar una hoja con fórmulas.   Los resultados del test  son decepcionantes, pero no sorprendentes, una vez más.

12 personas aprueban el test, sobre un total de 45 presentados. Espero que todos saquemos alguna conclusión.  Mi consejo a los estudiantes: tenéis que trabajar más y/o mejor.  Un número significativo de estudiantes contesta todas las preguntas del test y tiene la mayoría mal.  Esto refleja un desconocimiento sobre la asignatura y, lo que es peor, desconocimiento sobre las propias capacidades.

Vídeo grabado en clase (3 de Marzo de 2011) mostrando un circuito con una bombilla en serie con una pila y un recipiente con agua destilada. El agua destilada tiene una conductividad muy baja con lo que la corriente que circula es muy pequeña y la bombilla no luce. Al disolver sal (NaCl) en el agua,  aumenta mucho la densidad de carga libre, en forma de iones, y la conductividad. Esto baja la resistencia del agua,  lo que a su vez aumenta la corriente que circula por el circuito de manera que la bombilla se enciende.

Esquema del experimento:

El 25 de Febrero llevé el generador de Van der Graaff (VdG)  a clase . El VdG es un dispositivo que permite acumular carga en la superfície de una   esfera metálica hueca. Para ello, un motor hace rodar una correa de material aislante (seda o similar) por dos rodamientos metálicos conectados a la esfera y a tierra respectivamente.  El generador permite acumular suficiente carga para crear diferencias de potencial de varias decenas de miles de Volts. El VdG permite ilustrar el efecto de la Fuerza de Coulomb de forma sencilla, como se puede ver en la foto.

En este video, rodado en clase (CTQ 0002),   se puede ver  ( ¡y oir !) la descarga del  VdG  a través de la formación de un arco eléctrico .

El arco eléctrico tiene lugar cuando se produce la ruptura dieléctrica del aire, es decir, cuando el campo eléctrico es suficientemente grande como para proporcionar a los electrones, en su recorrido entre colisiones con las moléculas del aire,  suficiente energía cinética para ionizarlas.   Llegado ese punto, aumenta significativamente la densidad de iones y electrones de forma que el aire conduce la electricidad y permite la descarga del generador.