Utilice campos magnéticos para comprender el clima espacial

El Sol genera una cantidad increíble de energía, energía que puedes ver y sentir como luz y calor. Otras formas de energía del Sol son invisibles para los humanos. Aunque no puedas verlos, las partículas cargadas, los campos magnéticos y los rayos X y gamma que produce el Sol afectan a la Tierra. Más que eso, cuando estas formas invisibles de energía interactúan con el campo magnético y la atmósfera de un planeta, crean algunas de las exhibiciones de color y luz más hermosas del sistema solar.

Puede que no te des cuenta, pero hay clima en el espacio, impulsado por el Sol. El clima solar afecta a la Tierra de muchas maneras, no todas buenas. Para comprender cómo sucede eso, debe comprender el viento solar y los campos magnéticos. Así que rompan sus imanes, porque van a experimentar con la fuerza protectora que protege nuestro planeta.

¿No puedes esperar para empezar? ¡Salta al experimento!

La superficie del Sol cambia constantemente a medida que el plasma cargado eléctricamente interactúa con los campos magnéticos para causar una variedad de actividad solar: manchas solares magnéticas frías, explosiones de erupciones solares energéticas y burbujas gigantes de plasma llamadas eyecciones de masa coronal (CME). Las erupciones de bengalas y CME expulsan radiación al espacio. Combinada, esta actividad crea un tipo de clima llamado clima espacial, que puede interferir con las comunicaciones por radio, las redes eléctricas y los satélites alrededor de la Tierra.

Muy por encima de la superficie visible del Sol, su atmósfera exterior supercaliente, la corona, también interactúa con los campos magnéticos de la superficie. Las partículas de la corona forman hermosas serpentinas, bucles y penachos que se extienden lejos del cuerpo masivo del Sol. Estas partículas altamente energizadas pueden escapar de la gravedad del Sol, la intensa fuerza que atrae todo hacia el centro de un cuerpo de masa. Las partículas sueltas son lanzadas al espacio a velocidades de hasta un millón de millas por hora, arrastrando parte del campo magnético del Sol con ellas. Elviento solares el flujo de campos magnéticos y partículas cargadas del Sol.

El viento solar viaja miles de millones de millas hasta los bordes del sistema solar. Mientras lo hace, el viento solar interactúa con todos los planetas. La combinación de radiación, campos magnéticos y partículas cargadas que el Sol arroja al espacio puede afectar a la Tierra y al resto del sistema solar. El viento solar golpea la superficie de asteroides y planetas sin atmósfera. Cambia la composición de la superficie de la Luna y crea una burbuja de partículas electrificadas alrededor de Marte. En la Tierra, el viento solar puede ser peligroso tanto para los organismos como para la tecnología.

Afortunadamente, la Tierra tiene su propio campo magnético, llamado magnetosfera.

El núcleo de la Tierra está hecho de hierro y níquel. A medida que la Tierra gira sobre su eje, el núcleo externo líquido y caliente se agita y se mueve alrededor del núcleo interno sólido. Este movimiento produce una corriente eléctrica que genera y mantiene el fuerte campo magnético alrededor del planeta. El campo tiene dos polos opuestos ubicados en el norte y el sur del planeta, como un imán de barra normal.

La magnetosfera y la atmósfera de la Tierra forman un escudo protector contra el viento solar generado por nuestro sol. La mayoría de las partículas cargadas chocan contra este escudo y fluyen a su alrededor a lo largo de las líneas de campo de nuestra magnetosfera. El lado de la magnetosfera que mira hacia el Sol es aplastado y aplanado por la fuerza electromagnética del viento solar contra él, mientras que el otro lado es atraído y estirado como una cola.

A veces, las partículas cargadas del sol atraviesan el escudo magnético de la Tierra. Eso suele suceder cuando una tormenta solar o CME envía radiación adicional hacia la Tierra, que se combina con las partículas del viento solar. Esas partículas quedan atrapadas en la magnetosfera de la Tierra. Luego chocan contra los gases cargados eléctricamente de la ionosfera de la Tierra, excitando y agregando energía a las moléculas gaseosas de la ionosfera. Cuando las moléculas en la ionosfera se excitan, emiten luz, creando un hermoso espectáculo de luz atmosférica visible llamado aurora.

Las auroras son bandas brillantes y hermosas de luz de colores en lo alto del cielo. Diferentes gases en la ionosfera de la Tierra crean diferentes colores de luz cuando se excitan por colisiones con partículas cargadas del sol. La longitud de onda de la luz (y por lo tanto el color) depende de la estructura electrónica de los átomos mismos y de la energía de las partículas cargadas que chocan con los átomos. En lo alto de la atmósfera, el oxígeno crea un color rojo, pero en las capas intermedias el oxígeno crea ondas de color verde brillante. El nitrógeno en las capas inferiores de la atmósfera produce un color púrpura.

Aunque pueden ocurrir en cualquier momento y son brillantes durante la noche, no son lo suficientemente brillantes como para ser visibles durante el día. Las auroras se ven más comúnmente cerca de los polos de la Tierra, formando óvalos debido a la forma del campo magnético de la Tierra. También son más comunes cuando el Sol está particularmente activo. En el Polo Norte, las auroras reciben el nombre de aurora boreal o aurora boreal. En el Polo Sur, se les llama aurora austral, o luces del sur.

La Tierra no es el único planeta que experimenta auroras. El viento solar afecta a muchos planetas del sistema solar. Las auroras ocurren en Marte, Venus, Júpiter, Urano y Júpiter también.

El Sol y la Tierra generan fuertes campos magnéticos que se extienden por miles de kilómetros. Sin embargo, no necesitas algo del tamaño de un planeta para aprender sobre el magnetismo. ¡Puedes usar imanes en casa para aprender sobre los campos magnéticos en una escala mucho más pequeña!

Dos imanes de barra

Varios artículos para probar: monedas, clips, papel de aluminio, tapas de plástico, corchos, etc.

Una caja de clips (si es posible en al menos dos tamaños)

cinta métrica (opcional)

Imanes de toda la casa (opcional)

Recipiente de plástico pequeño con tapa (opcional)

Notas de seguridad y limpieza: Esta actividad se recomienda para niños mayores de 3 años porque los imanes son un peligro de asfixia y pueden ser peligrosos si se tragan. Supervise de cerca a los niños pequeños durante esta actividad. Para los niños pequeños, coloque un imán dentro de un recipiente con tapa para que puedan explorar sus efectos sin acceder a él directamente. Mantenga todos los imanes alejados de objetos electrónicos como teléfonos celulares.

Prueba los siguientes pequeños experimentos para aprender un poco sobre cómo funcionan los imanes:

Ahora sabes que los imanes pueden atraerse entre sí, pero ¿qué pasa con las cosas que no son imanes? Reúna algunos artículos de la casa, ¿son atraídos o repelidos por los imanes? Para averiguarlo, probará para ver qué otros objetos responden a un campo magnético.

Para esta actividad, intentará averiguar qué objetos de su casa son magnéticos y cuáles no. Mientras prueba las cosas, tome notas y busque patrones. Usa tus habilidades de observación para ayudarte.

Revise los artículos en cada pila. Hágase estas preguntas.

Es posible que haya descubierto que los objetos no metálicos no fueron atraídos por el imán, mientras que algunos metales sí lo fueron. Los metales como el hierro, el níquel, el cobalto y el acero son ferromagnéticos. Los materiales ferromagnéticos tienen una estructura molecular única. Sus átomos tienen características electromagnéticas debido al movimiento y giro de sus electrones. Cuando se combinan en un patrón que coloca esos átomos mirando en la misma dirección en líneas paralelas, se mejoran sus campos magnéticos individuales. Como resultado, los materiales ferromagnéticos pueden magnetizarse fácilmente cuando se exponen a un campo magnético. Los materiales como el hierro y la magnetita, un óxido de hierro (Fe3O4), tienen naturalmente sus campos magnéticos alineados y son imanes permanentes. Los imanes fuertes también pueden alinear los campos magnéticos de los materiales ferromagnéticos más débiles, haciéndolos magnéticos.

Los imanes vienen en diferentes tamaños, formas y fuerzas. ¿Crees que puedes saber qué tan fuerte es un imán con solo mirarlo? ¡Vamos a averiguar!

Considere estas preguntas mientras trabaja en su experimento y compare sus resultados.

Cuando un clip de acero toca un imán, se convierte en un imán temporal. Cada clip que agregue se convierte en un imán temporal ligeramente más débil. Sin embargo, eventualmente, no hay suficiente fuerza magnética para sostener más sujetapapeles. Cuanto más fuerte sea el campo magnético producido por el imán, más clips atraerá.

Es posible que haya descubierto que el tamaño del imán solo a veces se relaciona con su fuerza. Algunos imanes grandes son débiles; algunos imanes pequeños son muy fuertes. Eso es porque, más que su tamaño, es el material del que está hecho un imán lo que puede afectar su fuerza.

Por ejemplo, los imanes de neodimio están hechos de metales de tierras raras y son imanes muy fuertes, incluso cuando son muy pequeños. Los imanes de cerámica, por otro lado, hechos con óxido de hierro, son mucho menos costosos y fáciles de fabricar, por lo que son más comunes, aunque generalmente son imanes más débiles. Los imanes de su refrigerador probablemente sean de cerámica. Los imanes de Alnico están hechos de aluminio, níquel y cobalto (¿entiendes? Al – Ni – Co). Estos potentes imanes se utilizan en motores, sensores y altavoces o en lugares donde son necesarias altas temperaturas. Como viste en tu experimento con clips, no todos los imanes son imanes permanentes. Los electroimanes son un tipo diferente de imán temporal. El campo magnético de un electroimán solo existe cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. Puedes hacer un electroimán en casa usando alambre conductor, un clavo y una batería.

Hay tantas maneras de continuar explorando el magnetismo y el clima solar. Aquí hay algunas recomendaciones.

¡Nos encantaría ver lo que estás haciendo! Comparta fotos de su proyecto con el hashtag #SciFriSunCamp en las redes sociales o envíelas a [email protected].

Este recurso trabaja hacia las siguientes expectativas de rendimiento:

Esta actividad cuenta con el apoyo del Equipo de Activación de Heliofísica de la NASA (NASA HEAT), parte de la cartera de Activación Científica de la NASA.

Escrito por Sandy Roberts. Editado por Ariel Zych. Ilustración por Carrie Lapolla. Producción digital por Sandy Roberts.

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Sandy Roberts es la administradora del programa educativo de Science Friday, donde crea recursos y experiencias de aprendizaje para promover la equidad STEM en todos los entornos de aprendizaje. Últimamente ha estado jugando con circuitos de origami y tratando de perfeccionar una receta de masa madre sin gluten.

Crea pequeños navegadores de tortugas y utilízalos para detectar campos magnéticos en esta actividad y juego complementario.

Un imán y un centavo te ayudarán a convertirte en un detector de metales humano.