Electromagnetismo

ELECTROSTÁTICA MANIFESTACIONES.

¿Qué es la electrostática?File:Franklin lightning engraving.jpg

La electrostática es la parte de la física que estudia las acciones producidas entre cargas eléctricas en reposo. Todos conocemos desde hace tiempo el hecho de que una barra de ebonita frotada con un paño de lana adquiere la propiedad de atraer ciertos cuerpos como el papel y el azúcar. Esta fuerza de atracción es tan pequeña que, para que se manifieste se necesita que los cuerpos sobre los que actúa sean muy ligeros y estén muy próximos a la barra.

Por estar cargadas y a una cierta distancia, las partículas ejercen fuerzas eléctricas unas sobre otras. De acuerdo con la segunda Ley de Newton, el resultado de estas fuerzas debe ser un movimiento acelerado de las diferentes cargas. Supondremos que esto no ocurre porque actúan sobre ellas otras fuerzas no consideradas que retienen a las cargas en la misma posición.

A pesar de su aparente irrealidad (ya que una carga no puede mantenerse inmóvil flotando en el espacio), la electrostática posee una gran aplicación ya que no solo describe aproximadamente situaciones reales, sino porque sirve de fundamento para otras situaciones electromagnéticas. En el campo de la electrostática aparecen el principio de superposición, la ley de Gauss, el potencial eléctrico, la ecuación de Laplace… todos los cuales se utilizan más adelante.

Electricidad estática: La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.

Aislantes: Los materiales aislantes se emplean en electricidad para evitar fugas y accidentes eléctricos.Los materiales conductores de la electricidad dejan pasar fácilmente la corriente. Son los componentes de todos los elementos del circuito eléctrico, especialmente los cables. Los materiales conductores más comunes son los metales.

Conductores: Un conductor eléctrico está formado primeramente por el conductor propiamente tal, usualmente de cobre. Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o alambres retorcidos entre sí.
Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos son el cobre y el aluminio.

 Propiedades: Como ya vimos, se define la carga eléctrica como la propiedad de la materia en virtud de la cual es capaz de ejercer fuerzas de tipo eléctrico. Se designa habitualmente por la letra q.

Principio de conservación de la carga: en todos los procesos que ocurren en un sistema aislado, la carga total permanece constante.

Cuantificación de la carga: la carga eléctrica no aparece en cualquier cantidad, sino en múltiplos enteros de una unidad fundamental o cuanto. La unidad fundamental de carga es la carga eléctrica del electrón.

Estructura atómica: las propiedades eléctricas de los cuerpos se pueden entender de forma simple teniendo en cuenta la estructura eléctrica de los átomos que constituyen la materia. Todo proceso de transferencia de carga se puede entender como un proceso de transferencia de electrones entre los átomos de dos cuerpos.

La electroestática se divide en dos tipos:

  1. Electrostática en el vacío: Supone que las cargas están inmóviles flotando en el espacio.
  2. Electrostática en medios materiales: Supone que las cargas se encuentran en el interior o en la superficie de medios materiales. Éstos se clasifican en:
    2.1. Conductores: Son aquellos materiales (metálicos) que permiten el movimiento de cargas por su interior. En electrostática esto implica que las cargas se encuentran en equilibrio ya que pudiendo moverse no lo hacen.
    2.2. Dieléctricos: Son aquellos materiales (plásticos) que no permiten el movimiento de cargas por su interior. En electrostática esto implica la existencia de cargas ligadas, que no pueden abandonar los átomos a los que pertenecen.

FUERZA ELECTROSTÁTICA:

Los átomos que están presentes en todos los cuerpos, están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el protón tienen carga. El protón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa.

Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una distancia «r», estos se repelerán con una fuerza «F».
Esta fuerza depende de la distancia «r» entre los electrones y la carga de ambos. Esta fuerza «F» es llamada Fuerza electrostática.

El que la fuerza electrostática sea de atracción o de repulsión depende de los signos de las cargas:

  1. Cargas negativas frente a frente se repelen.
  2. Cargas positivas frente a frente se repelen.

Cargas iguales se repelen - Fuerza electrostática - Electrónica Unicrom

CAMPO ELÉCTRICO: El campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. El campo eléctrico esta dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.

Campo Eléctrico: Cilindro Conductor
El campo eléctrico de un conductor cilíndrico uniforme con una densidad de carga uniforme se puede obtener usando la ley de Gauss. Considerando una superficie gausiana en la forma de un cilindro de radio r, el campo eléctrico tiene la misma magnitud en cada punto del cilindro y está dirigido hacia afuera. El flujo eléctrico es entonces el campo eléctrico multiplicado por el área del cilindro.

Físicamente entendemos el campo electrostático como una perturbación en el espacio producida por la presencia de cargas eléctricas en reposo

El campo es un concepto primario. No se puede describir qué es el campo eléctrico, sino solo qué efectos produce sobre otras cargas.

Aunque hemos introducido el campo eléctrico a partir de un sumatorio, no es así como se define, ya que en general ni conocemos cuántas cargas tenemos ni dónde se encuentra cada una. Puede definirse de una manera operativa, esto es, dando un procedimiento para su medida. Para ello se considera una carga muy pequeña q0 y se sitúa en un campo eléctrico. Con la medida de un dinamómetro se mide la fuerza sobre ella. Se define el campo eléctrico en la posición de la carga como

\vec{E}(\vec{r})=\lim_{q_0\to 0}\frac{\vec{F}}{q_0}

LINEAS DE FUERZA DEL CAMPO ELÉCTRICO:  Dado que el campo eléctrico es una magnitud vectorial que en cada punto del espacio tiene un módulo, dirección y sentido determinados en función de la distribución de cargas que lo crean – las fuentes del campo eléctrico – resulta de gran utilidad el efectuar una representación gráfica del campo dibujando en cada punto del espacio un vector cuya longitud sea proporcional al módulo del campo eléctrico en ese punto. Como el espacio está constituido por infinitos puntos, esta representación sería irrealizable. Por lo tanto, a fin de obtener esta representación gráfica se traza un conjunto de líneas que sean tangentes en cada punto al vector campo, y que por lo tanto representan la dirección de la fuerza que experimentaría una carga positiva si se situara en ese punto. A este conjunto de líneas se les denomina líneas de fuerza. 

Existe casos particulares importantes:

  1. Un campo uniforme (independiente de la posición) tiene líneas de campo que son rectas paralelas. Este es el caso del campo eléctrico en el interior de un condensador plano.
  2. Un campo central.

\vec{E}(\vec{r}) = E(r)\vec{u}_r\qquad \qquad (\mbox{campo central})

en el cual el campo es siempre puramente radial, las líneas de campo son semirrectas radiales. Este es el caso del campo de una carga puntual, positiva o negativa,

Campo de una distribución de carga: 

  1. De carga puntual: El principio de superposición se extiende a cualquier número de cargas. Si tenemos N cargas puntuales, situadas en los puntos \vec{r}_i, el campo en cualquier punto vale\vec{E}_P=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i=1}^N \frac{q_i}{d_{iP}^2}\vec{u}_{iP}o, usando las posiciones de cada una\vec{E}(\vec{r})=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i=1}^N \frac{q_i(\vec{r}-\vec{r}_i)}{|\vec{r}-\vec{r}_i|^3}
  2. De distribución continua: Al considerar un medio material, se hace imposible conocer la posición de cada una de los trillones de cargas que lo componen.Por ello, se debe trabajar con densidades de carga. Dividimos el volumen del material en elementos microscópicos (pero que contienen millones de cargas), de forma que la carga de cada elemento es dq. Entonces, el campo en un punto P es la generalización de la suma anterior a una integral\vec{E}_P = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{\mathrm{d}q'}{d_{qP}^2}\vec{u}_{qP}siendo dqP la distancia desde cada elemento de carga al punto donde queremos hallar el campo y \vec{u}_{qP} el unitario en la dirección desde el elemento de carga al punto en cuestión.

    Dependiendo del tipo de distribución de carga que tengamos, el tipo de integral variará.

    • Volumétrica: Si la carga está repartida en un volumen

    \mathrm{d}q'=\rho(\vec{r}')\,\mathrm{d}v'\qquad \vec{E}(\vec{r}) = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int_V \frac{\rho(\vec{r}')\,\mathrm{d}v'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}

    donde ρ será en general una función de la posición \vec{r}', que habrá que integrar.

    • Superficial: Si la carga está distribuida sobre una superficie

    \mathrm{d}q'=\sigma_s(\vec{r}')\,\mathrm{d}S'\qquad \vec{E}(\vec{r}) = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int_S \frac{\sigma_s(\vec{r}')\,\mathrm{d}S'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}

    Obsérvese que, a diferencia del flujo, aquí el diferencial de superficie es escalar, e igual al área del elemento.

    • Lineal: Si la carga está repartida a lo largo de una línea

    \mathrm{d}q'=\lambda(\vec{r}')\,\mathrm{d}l'\qquad \vec{E}(\vec{r}) = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int_L \frac{\lambda(\vec{r}')\,\mathrm{d}l'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}

    • Caso general: En un problema general podemos tener todos los tipos de densidades simultáneamente y además cargas puntuales aisladas. El campo en cada punto será la superposición de los campos individuales

    \vec{E}(\vec{r}) = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\left(\int_V \frac{\rho(\vec{r}')\,\mathrm{d}v'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}+\int_S \frac{\sigma_s(\vec{r}')\,\mathrm{d}S'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}+\int_L \frac{\lambda(\vec{r}')\,\mathrm{d}l'(\vec{r}-\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|^3}+\sum_i \frac{q_i(\vec{r}-\vec{r}_i)}{|\vec{r}-\vec{r}_i|^3}\right)

  3. Densidad Uniforme: En muchos problemas prácticos se dice “una carga Q distribuida uniformemente en el volumen” o “un anillo cargado uniformemente con carga Q” o similar. En estos casos se nos está dando el tipo de distribución (si es de volumen, lineal, etc.), el valor de la carga total, y se nos dice que la carga tiene una densidad uniforme, es decir, que es la misma para todos los puntos. En esos casos, lo primero es determinar la densidad correspondiente, y luego recurrir a las expresiones anteriores.

ELECTRICIDAD.

La electricidad o energía eléctrica se produce porque la materia se puede cargar eléctricamente.

¿Qué significa esto?  Los electrones poseen una carga negativa y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras para que el objeto resulte neutro (no cargado). Pero al frotar, por ejemplo, un globo sobre un polerón los electrones saltan del polerón al globo y éste se carga de electricidad. El globo pasa a tener más electrones que protones y se carga negativamente; mientras el polerón, con más protones que electrones, se carga positivamente.

¿Qué ha pasado? ¡Hemos producido electricidad!
Agradecimientos: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Electricidad1.htm

CORRIENTE ELÉCTRICA: 

Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).

En un circuito eléctrico cerrado la. corriente circula siempre del polo. negativo al polo positivo de la. fuente de fuerza electromotriz. (FEM).

Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que «cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan». Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.

CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA:
La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.

La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea recta de valor V.
En la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo).
Por tanto, la corriente así generada (contraria al flujo de electrones) no es un flujo en un sentido constante, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones.

POTENCIA ELÉCTRICA:  

P = I v es la formula de la potencia

V= I R es la formula del voltaje.

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

RESISTENCIA ELÉCTRICA:  

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

CÓDIGO DE COLORES:
Para caracterizar un resistor hacen falta tres valores: resistencia eléctrica, disipación máxima y precisión o tolerancia. Estos valores se indican normalmente en el encapsulado dependiendo del tipo de éste; para el tipo de encapsulado axial, el que se observa en las fotografías, dichos valores van rotulados con un código de franjas de colores.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS: 

Es tan común la aplicación del circuito eléctrico en nuestros días que tal vez no le damos la importancia que tiene. El automóvil, la televisión, la radio, el teléfono, la aspiradora, las computadoras y videocaseteras, entre muchos y otros son aparatos que requieren para su funcionamiento, de circuitos eléctricos simples, combinados y complejos. 

Pero… ¿qué es un circuito eléctrico? Se denomina así el camino que recorre una corriente eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de una pila, pasa a través de un conducto eléctrico (cable de cobre), llega a una resistencia (foco), que consume parte de la energía eléctrica; continúa después por  el conducto, llega a un interruptor y regresa a la otra terminal de la pila.

Tipos de circuitos eléctricos

Circuito en serie

circuito001

Circuito en paralelo

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Circuito con un timbre en serie con dos ampolletas en paralelo

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Circuito con una ampolleta en paralelo con dos en serie

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Circuito con dos pilas en paralelo

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CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELOS: 

Circuitos en serie

En un circuito en serie los receptores están instalados uno a continuación de otro en la línea eléctrica, de tal forma que la corriente que atraviesa el primero de ellos será la misma que la que atraviesa el último. Para instalar un nuevo elemento en serie en un circuito tendremos que cortar el cable y cada uno de los terminales generados conectarlos al receptor.

Circuito en paralelo

En un circuito en paralelo cada receptor conectado a la fuente de alimentación lo está de forma independiente al resto; cada uno tiene su propia línea, aunque haya parte de esa línea que sea común a todos. Para conectar un nuevo receptor en paralelo, añadiremos una nueva línea conectada a los terminales de las líneas que ya hay en el circuito.

La corriente en los circuitos serie y paralelo

Una manera muy rápida de distinguir un circuito en seria de otro en paralelo consiste en imaginar la circulación de los electrones a través de uno de los receptores: si para regresen a la pila atravesando el receptor, los electrones tienen que atravesar otro receptor, el circuito está en serie; si los electrones llegan atravesando sólo el receptor seleccionado, el circuito está en paralelo.

Características de los circuitos serie y paralelo

Serie Paralelo
Resistencia Aumenta al incorporar receptores Disminuye al incorporar receptores
Caida de tensión Cada receptor tiene la suya, que aumenta con su resistencia.
La suma de todas las caídas es igual a la tensión de la pila.		 Es la misma para cada uno de los receptores, e igual a la de la fuente.
Intensidad Es la misma en todos los receptores e igual a la general en el circuito.Cuantos más receptores, menor será la corriente que circule. Cada receptor es atravesado por una corriente independiente, menor cuanto mayor resistencia.
La intensidad total es la suma de las intensidades individuales. Será, pues, mayor cuanto más receptores tengamos en el circuito.
Cálculos

Tensión:  La Tensión es la diferencial de potencial entre dos puntos. Por eso en física se llama d.d.p (diferencia de potencial) y en tecnología Tensión o Voltaje. Como ya debemos saber por el estudio de la carga eléctrica la tensión es la causa que hace que se genere corriente por un circuito. En un enchufe hay tensión pero OJO no hay corriente. Solo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito y eso es gracias hay que hay tensión. Entre los dos polos de una pila hay tensión y al conectar la bombilla pasa corriente de un extremo a otro y la bombilla luce. Ha mayor tensión entre dos polos mayor cantidad de electrones y con mas velocidad pasaran de un polo al otro. La tensión se mide en Voltios. Cuando la tensión es de 0V (cero voltios) ya no hay posibilidad de corriente y si fuera una pila diremos que la pila se ha agotado.
Intensidad de corriente: Es la cantidad de electrones que pasan por un punto en un segundo. Imaginemos que pudiésemos contar los electrones que pasan por un punto de un circuito eléctrico en un segundo. Pues eso seria la Corriente eléctrica. Se mide en Amperios (A).
Resistencia Eléctrica: Los electrones cuando en su movimiento se encuentran con un receptor (por ejemplo una lámpara) no lo tienen fácil para pasar por ellos, es decir les ofrecen una resistencia. Por el conductor van muy a gusto por que no les ofrecen resistencia a moverse por ellos, pero los receptores no. Por ello se llama resistencia a la dificultad que se ofrece al paso de la corriente. Todos los elementos de un circuito tienen resistencia, excepto los conductores que se considera caso cero. Se mide en Ohmios (Ω). La resistencia se representa con la letra R. La resistencia se suele medir con el polímetro.

Electricidad Terrestre: Se conocen tres sistemas eléctricos generados por procesos naturales. Uno está en la atmósfera. otro está dentro de la Tierra, fluyendo paralelo a la superficie, y el tercero, que traslada carga eléctrica entre la atmósfera y la Tierra, fluye en vertical.
La electricidad atmosférica es el resultado de la ionización de la atmósfera por la radiación solar y a partir del movimiento de nubes de iones. Estas nubes son desplazadas por mareas atmosféricas, que se producen por la atracción del Sol y la Luna sobre la atmósfera. Suben y bajan a diario, como ocurre en el mar. La ionosfera constituye una capa esférica casi perfectamente conductora.
Las corrientes de la Tierra constituyen un sistema mundial de ocho circuitos cerrados de corriente eléctrica distribuidos de una forma bastante uniforme a ambos lados del ecuador, además de una serie de circuitos más pequeños cerca de los polos. La superficie de la Tierra tiene carga eléctrica negativa. La carga negativa se consumiría con rapidez si no se repusiera de alguna forma.
Se ha observado un flujo de electricidad positiva que se mueve hacia abajo desde la atmósfera hacia la Tierra. La causa es la carga negativa de la Tierra, que atrae iones positivos de la atmósfera. Al parecer, la carga negativa se traslada a la Tierra durante las tormentas y el flujo descendente de corriente positiva durante el buen tiempo se contrarresta con un flujo de regreso de la corriente positiva desde zonas de la Tierra con tormentas.

MAGNETISMO

La Tierra se comporta como un enorme imán. El físico y filósofo natural inglés William Gilbert fue el primero que señaló esta similitud en 1600, aunque los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado mucho antes en las brújulas primitivas.
El magnetismo de la Tierra es el resultado de una dinámica, ya que su núcleo de hierro de la Tierra no es sólido.
Por otra parte, en la superficie terrestre y en la atmósfera se generan diversas corrientes eléctricas producidas por diversas causas, además de un intercambio constante de electricidad entre el aire y la Tierra.

Gilbert creyó que los polos magnéticos del globo coincidían con los geográficos, sin embargo, La brújula no apunta siempre hacia el norte geográfico, de esto ya se habían percatado los chinos en el siglo XII antes de Cristo y hoy día se sabe que el polo norte geográfico está en un lugar diferente al polo magnético(polo sur magnético) hacia el que apunta una brújula. El polo norte geográfico está en Groenlandia y el polo magnético está en las Islas Reina Elizabeth.
Otra posible explicación del campo magnético terrestre son las corrientes de convección que se originan debido al calor del núcleo.

El calor de la Tierra se debe a la energía nuclear que se libera en el proceso de decaimiento radiactivo. Tal vez el campo magnético de la Tierra sea producto de la combinación de las corrientes de convección con los efectos de la rotación terrestre. Pero se requieren otros estudios para establecer una explicación más firme.

Sea cual sea su causa, el campo magnético de la Tierra no es estable, sino que se desplaza en el curso de las eras geológicas. Las pruebas de este hecho vienen del análisis de las propiedades magné­ticas de los estratos rocosos. Los átomos de hierro en estado de fusión tienden a alinearse con el campo magnético terrestre. Cuando el hierro se solidifica la dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los dominios magnéticos de las rocas. Podemos medir el leve magnetismo resultante por medio de instrumentos muy sensibles. Así, midiendo el magnetismo de diversas muestras de roca provenientes de estratos que se han formado en periodos distintos podemos elaborar mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Los rastros que quedan en las rocas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse.

¿Qué es un imán? Sabías qué Piedra de Hércules fue uno de los nombres que los griegos le dieron a esta piedra misteriosa. Piedra de Magnesia fue otro, debido a la abundancia de este mineral en esta zona del Asia menor; para los latinos el nombre utilizado fue magnes de donde se deriva la palabra magnetismo, palabra utilizada hoy para designar la propiedad del imán de atraer a otros materiales y a todo el conocimiento acerca de ella. Los imanes naturales son piedras de un óxido de hierro llamado Magnetita (Fe 3 O 4 ), que han adquirido la propiedad de atraer a algunos elementos tales como: hierro, cobalto níquel, gadolinium, dysprosium o aleaciones de estos elementos.

Características: Se orientan en una dirección específica del espacio cuando son suspendidos adecuadamente. Si colgamos cualquier imán en el espacio por medio de un hilo se observa que adquiere una orientación especial: una parte del imán se orienta aproximadamente hacia el norte geográfico y la otra se orienta hacia el Sur. El lado que se orienta hacia el norte se denomina polo norte del imán y el lado que se orienta hacia el sur se denomina polo Sur. Esta característica dio origen a la Brújula , instrumento construido con una pequeña aguja imantada que puede girar alrededor de un eje de rotación que pasa por su centro geométrico.

  1. Los imanes poseen dos zonas llamadas polos del imán, las cuales presentan una fuerte propiedad atractiva o repulsiva dependiendo del objeto con el que interactúan. – Entre imanes se puede observar que los polos del mismo nombre se repelen y polos de nombre diferente se atraen.Pero cuando un imán es acercado a un pedazo de hierro o algún otro material ferromagnético se observa que hay siempre atracción entre ellos y ella es más fuerte cuando el material ferromagnético se acerca a los polos.
  2. Poseen una zona intermedia donde las propiedades atractivas sobre los materiales ferromagnéticos se debilitan, esta es la zona neutra del imán.
  3.  Si se fracturan en dos partes se obtienen dos imanes de nuevo. Hasta ahora no ha sido posible separar los polos de un imán y aislarlos, los imanes son siempre bipolares y por esta razón en magnetismo, se habla siempre de dipolos magnéticos.
  4. Pierden la propiedad de atraer cuando se calientan a cierta temperatura. Existe una temperatura donde el magnetismo desaparece.

CAMPO MAGNÉTICO:  Son producidos por corrientes eléctricas, las cuales pueden ser corrientes macroscópicas en cables, o corrientes microscópicas asociadas con los electrones en órbitas atómicas. El campo magnético B se define en función de la fuerza ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz. La interacción del campo magnético con las cargas, nos conduce a numerosas aplicaciones prácticas. Las fuentes de campos magnéticos son esencialmente de naturaleza dipolar, teniendo un polo norte y un polo sur magnéticos. La unidad SI para el campo magnético es el Tesla, que se puede ver desde la parte magnética de la ley de fuerza de Lorentz, Fmagnética = qvB, que está compuesta de (Newton x segundo)/(Culombio x metro). El Gauss (1 Tesla = 10.000 Gauss) es una unidad de campo magnético mas pequeña.

El campo magnético es  la agitación que produce un imán a la región que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imán, en que son apreciables sus efectos magnéticos, aunque es imperceptible para nuestros sentidos.

Para poder representar un campo magnético utilizamos las llamadas líneas de campo . Estas líneas nos dan una idea de:

  • La intensidad del campo magnético, que es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio más intensidad).
  • Dirección que tendrá el campo magnético. Las líneas de campo van desde el polo sur al polo norte en el interior del imán y desde el polo norte hasta el polo sur por el exterior.

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA: Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), forma por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la “inducción magnética” del imán en movimiento.Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina.

Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del galvanómetro se moverá indicando que por las espiras de (C), fluye corriente eléctrica provocada, en este caso, por la “inducción electromagnética” que produce la bobina (B). Es decir, que el “campo magnético” del imán en movimiento produce “inducción magnética” en el enrollado de la bobina (B), mientras que el “campo electromagnético” que crea la corriente eléctrica que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce “inducción electromagnética” en una tercera bobina que se coloque a su lado.

El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.

¿QUÉ ES UN ELECTROIMÁN?

Hasta 1820, el único magnetismo que se conocía era el de las piedras como la magnetita. Ese año Hans Christian Oersted, profesor de la universidad de Copenhage, hizo un experimento para demostrar a sus alumnos que el paso de la corriente eléctrica a través de un cable producía calor.

Electroiman-01.jpg

Un electroimán es un imán cuyo campo magnético se produce mediante el paso de una corriente eléctrica. Esto es, un imán accionado por electricidad.

Como hemos visto, al pasar la corriente eléctrica por un cable se crea un campo magnético. Si ahora el hilo por el que pasa la corriente se enrolla en forma de hélice (cada una de las vueltas de alambre se denomina espira) se forma un solenoide.

¿CÓMO HACER UN ELECTROIMÁN?

Vas a necesitar: una pila de petaca o pilas, un portapilas, un clavo de hierro largo o una barrita de hierro, hilo de cobre fino, dos cables, cinta adhesiva y clips o tornillos.

¿Cómo se hace? ENTRA AQUÍ: http://www.inta.es/descubreAprende/htm/accion6.htm

ELECTROMAGNETISMO

Electromagnetismo es una rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, sus fundamentos fueron dados a conocer por primera vez por Michael Faraday y formulados por primera vez de forma completa por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

Las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo, por lo que se le considera una teoría de campos; es decir, que el electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el Electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la Mecánica Cuántica.

Este considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo, por lo que se le considera una teoría de campos; es decir, que el electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el Electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la Mecánica Cuántica.

El electromagnetismo de Maxwell es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. A mediados del s. XIX, los científicos sabían que los fenómenos eléctricos y magnéticos guardaban relación, pero desconocían cómo ni porqué. Buscaban la respuesta. Algunos como Morse y Marconi supieron ver su importancia para las telecomunicaciones.
Oersted demostró que las corrientes eléctricas producían campos magnéticos. Y Faraday el proceso inverso, es decir, que un campo magnético podía producir corrientes eléctricas. Pero fue el escocés James Clerk Maxwell quien unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única fuerza, en 1873.

Maxwell creía que todo el espacio estaba lleno de una sustancia electromagnética invisible, una especie de éter, por el que se expandían las fuerzas. Lo imaginaba como las celdillas de un panal de abejas, y por su interior discurría la energía. Introdujo la idea de campos de energía. La causa de todo magnetismo era un movimiento de carga eléctrica. Las corrientes eléctricas son movimientos de carga eléctrica y, por eso, producen un campo magnético. Cuando dos corrientes eléctricas circulan en el mismo sentido, se atraen. Si circulan en sentido contrario, se repelen.

Fenómeno electromagnético

La unificación de Maxwell supuso una revolución en el mundo de la Física. Casi todas las herramientas que empleamos en nuestra vida cotidiana se basan en el electromagnetismo. Por ejemplo, la web.  Es el responsable de que no atravesemos las paredes o no nos precipitemos hasta el centro de la Tierra por efecto de la gravedad.

El electromagnetismo es millones de veces más fuerte que la gravedad.
La repulsión electromagnética entre nuestros átomos y los del resto de objetos hace que podamos tocarlos sin atravesarlos. En algunos materiales los electrones se alinean de tal menera que multiplican su repulsión o atracción, y por eso podemos ver el efecto de la fuerza. Es el caso de los imanes.

Carga eléctrica

Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y magnética mediante cuatro ecuaciones matemáticas. También comprobó su relación con la velocidad de la luz. El por qué sigue siendo un misterio. La constante eléctrica dividida entre la constante magnética da exactamente la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es una constante en la Naturaleza, y también un límite hasta ahora infranqueable. Curiosamente, la velocidad de la fuerza de gravedad también es la velocidad de la luz. Estas casualidades confirmaron a Eisntein en su creencia de que todo en la Naturaleza está relacionado, y que existe una teoría del todo.

Las experiencias de Faraday

Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética pueden ser agrupadas en dos categorías: experiencias con corrientes y experiencias con imanes. En primer lugar preparó dos solenoides, uno arrollado sobre el otro, pero aislados eléctricamente entre sí. Uno de ellos lo conectó a una pila y el otro a un galvanómetro y observó cómo cuando accionaba el interruptor del primer circuito la aguja del galvanómetro del segundo circuito se desplazaba, volviendo a cero tras unos instantes. Sólo al abrir y al cerrar el interruptor el galvanómetro detectaba el paso de una corriente que desaparecía con el tiempo. Además, la aguja se desplazaba en sentidos opuestos en uno y otro caso.

En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina conectada a un galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó una desviación en la aguja, desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil en el interior de la bobina. Cuando el imán era retirado la aguja del galvanómetro se desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. Cuando repetía todo el proceso completo la aguja oscilaba de uno a otro lado y su desplazamiento era tanto mayor cuanto más rápido era el movimiento del imán entrando y saliendo en el interior de la bobina. Lo mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él.

La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a Faraday encontrar una explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se produjera una corriente inducida en la bobina era necesario que las líneas de fuerza producidas por el imán fueran cortadas por el hilo conductor de la bobina como consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias, las líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila, producían el mismo tipo de efectos. Las experiencias anteriores a las de Faraday, al no tener en cuenta los aspectos dinámicos, o de cambio con el tiempo, de esta clase de fenómenos, no pudieron detectar este tipo de corrientes que aparecen en un circuito eléctrico sin que exista dentro del propio circuito ninguna pila que las genere.

TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA: A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.

HISTORIA DEL ELECTROMAGNETISMO
Una parte de la historia del electromagnetismo se monta a los chinos que sugieren que el electromagnetismo fue conocido a principios del año 2000 A.C, otra parte de la historia se remonte a los antiguos griegos que observaron los fenómenos eléctricos y magnéticos posiblemente a principios del año 700 A.C. Para ello descubrieron que un pedazo de ámbar frotado se electrificaba y era capaz de atraer trozos de paja o plumas. La existencia de la fuerza magnética se conoció al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita (Fe3 O4) atraen el hierro. (la palabra eléctrico proviene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra magnética viene del nombre de un distrito central al norte de Grecia donde se descubrió, Magnesia.
En 1600, William Gilbert descubre que la electrificación no estaba limitada al ambarsino que este era un fenómeno general. Así, científicos electrificaron una variedad de objetos, incluyendo gallinas y personas. Experimentos realizados por charles Coulomb en 1785 confirmaron la ley inversa del cuadrado para la electricidad. Hasta principios del siglo XIX los científicos establecieron que la electricidad y el magnetismo son, en efecto, fenómenos relacionado1820 Hans Oersted descubre que una brújula sé deflecta cuando se coloco cerca de un circuito que lleve corriente eléctrica. En 1831, Michael Faraday, y simultáneamente, Joseph Heary, demuestran que, cuando un magneto o imán (o de manera equivalente, cuando el magneto se mueve cerca de un alambre), una corriente eléctrica se observa en el alambre. En 1873, James Clerk Maxwell usa estas observaciones y otros factores experimentales como base, y formula leyes del electromagnetismo que se conocen actualmente. (Electromagnetismo es el nombre dado a la combinación de los campos eléctrico y magnético.) Poco tiempo después (alrededor de 1888), Heinrich Hertz verifica las predicciones de Maxwell produciendo ondas electromagnéticas en el laboratorio. Esto fue seguido por desarrollos prácticos como la radio y la televisión. Las contribuciones de Maxwell a la ciencia del electromagnetismo fueron especialmente significativas debido a que las leyes formuladas por él son básicas para todas las formas de los fenómenos electromagnéticos. Su trabajo es comparable en importancia al descubrimiento de Newton con sus leyes del movimiento y la teoría de la gravitación. tra parte de la historia muestra a los antiguos griegos que no ignoraban la existencia de una piedra magnética capaz de atraer el hierro y habían comprobado que este metal se imantaba si se ponía en contacto con un imán. Varios siglos antes de nuestra era parece ser que los chinos empleaban ya la brújula, instrumento basado en las propiedades de la aguja imantada, que no llegó, sin embargo, a Europa hasta el siglo XV, cuando empezaron a utilizarla los navegantes en sus viajes exploratorios. El descubrimiento científico básico logrado por Edison (a pesar del hecho de que ese estableció casi 1100 patentes) mejoró del desarrollo de los sistemas de comunicación modernos (radio, telefonía, radar y tv). Durante el periodo que Edison se dedicaba a preparar la luz eléctrica, colocó un filamento metálico en una ampolla de vidrio e hizo el vacío en su interior (tubo vacío) con un segundo electrodo que estaba conectado al polo positivo de una batería. Descubrió que cuando hacia pasar una corriente a través del filamento y éste se calentaba y se ponía incandescente, un flujo de electricidad (electrones) pasaba a través del espacio vacío en el tubo al electrodo cargado positivamente (la placa) y volvía a la batería. Este fenómeno se llama efecto Edison, pero Edison no vio en su dispositivo posibilidades prácticas y no hizo nada con él excepto, patentarlo. Veinte años después, Fleming utilizó el efecto Edison para inventar un diodo rectificado, un dispositivo para convertir la corriente alterna en corriente directa. Este fue en esencia el tubo de vacío de dos elementos de Edison. Unos años mas tarde, De forest agregó un tercer electrodo (una rejilla) al tubo de vacío de los electrodos de Edison. Este dispositivo hizo posible amplificar las energías de las ondas electromagnéticas extremadamente débiles (radiondas) que son emitidas por las señalas eran fortalecidas y reenviadas a mayor distancia, y pudieron entonces utilizarse los altavoces. Este fue el auténtico meollo de los sistemas de comunicación modernos y de la vasta industria electrónica que se ha desarrollado durante este siglo.

Si quieres saber sobre ELECTROMAGNETISMO haz click aquí: http://genesis.uag.mx/edmedia/material/fisicaII/electromagnetismo.cfm

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