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Articulo de referencia

Introducción al electromagnetismo

El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Inicialmente, la electricidad y el magnetismo se estudiaron por separado y se consideraron fenómenos i...

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El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Inicialmente, la electricidad y el magnetismo se estudiaron por separado y se consideraron fenómenos independientes. Hans Christian Ørsted descubrió su relación: las corrientes eléctricas generan magnetismo. Michael Faraday descubrió lo contrario, que el magnetismo podía inducir corrientes eléctricas, y James Clerk Maxwell unificó el concepto en una teoría del electromagnetismo . Las ecuaciones de Maxwell indicaron además la existencia de ondas electromagnéticas , y los experimentos de Heinrich Hertz lo confirmaron, haciendo posible la radio . Maxwell también postuló, correctamente, que la luz era una forma de onda electromagnética, convirtiendo así la óptica en una rama del electromagnetismo. Las ondas de radio se diferencian de la luz únicamente en que su longitud de onda es mucho mayor. Albert Einstein demostró que el campo magnético surge del movimiento relativista del campo eléctrico , por lo que el magnetismo es simplemente un efecto secundario de la electricidad. El tratamiento teórico moderno del electromagnetismo se basa en la electrodinámica cuántica , considerándolo como un campo cuántico .

En muchas situaciones de interés para la ingeniería eléctrica , no es necesario aplicar la teoría cuántica para obtener resultados correctos. La física clásica sigue siendo una aproximación precisa en la mayoría de las situaciones que involucran objetos macroscópicos . Salvo algunas excepciones, la teoría cuántica solo es necesaria a escala atómica , y se puede aplicar un tratamiento clásico más simple. En situaciones limitadas, es posible realizar simplificaciones adicionales del tratamiento. La electrostática se ocupa únicamente de cargas eléctricas estacionarias, por lo que no surgen ni se consideran campos magnéticos. Los imanes permanentes pueden describirse sin referencia a la electricidad o al electromagnetismo. La teoría de circuitos se ocupa de redes eléctricas donde los campos están confinados en gran medida alrededor de conductores que transportan corriente . En tales circuitos, incluso las ecuaciones de Maxwell pueden omitirse y utilizarse formulaciones más simples. Por otro lado, un tratamiento cuántico del electromagnetismo es importante en química . Las reacciones químicas y los enlaces químicos son el resultado de las interacciones cuántico-mecánicas de los electrones alrededor de los átomos . Las consideraciones cuánticas también son necesarias para explicar el comportamiento de muchos dispositivos electrónicos, por ejemplo, el diodo túnel .

carga eléctrica

La ley de Coulomb nos dice que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.

El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la gravedad , la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil . Mientras que la gravedad actúa sobre todos los objetos con masa , el electromagnetismo actúa sobre todos los objetos con carga eléctrica . Además, así como existe la conservación de la masa, según la cual la masa no se crea ni se destruye, también existe la conservación de la carga , lo que significa que la carga en un sistema cerrado (donde no entran ni salen cargas) debe permanecer constante. [ 1 ] La ley fundamental que describe la fuerza gravitatoria sobre un objeto masivo en la física clásica es la ley de gravitación de Newton . De forma análoga, la ley de Coulomb es la ley fundamental que describe la fuerza que ejercen los objetos cargados entre sí. Se expresa mediante la fórmula

F=kmiq1q2r2{\displaystyle F=k_{\text{e}}{q_{1}q_{2} \over r^{2}}}

donde F es la fuerza, k e es la constante de Coulomb , q 1 y q 2 son las magnitudes de las dos cargas, y r 2 es el cuadrado de la distancia entre ellas. Describe el hecho de que las cargas iguales se repelen entre sí, mientras que las cargas opuestas se atraen, y que cuanto mayores sean las cargas de las partículas, mayor será la fuerza que ejercen entre sí. La ley también es una ley del inverso del cuadrado, lo que significa que al duplicarse la distancia entre dos partículas, la fuerza sobre ellas se reduce a la cuarta parte. [ 2 ]

campos eléctricos y magnéticos

Las líneas de campo eléctrico apuntan desde las cargas positivas hacia las cargas negativas.
La fuerza ejercida sobre una carga positiva por un campo eléctrico (izquierda) y un campo magnético (derecha) se combinan para dar lugar a la fuerza de Lorentz .

En física, los campos son entidades que interactúan con la materia y se pueden describir matemáticamente asignando un valor a cada punto del espacio y el tiempo. Los campos vectoriales son campos a los que se les asigna tanto un valor numérico como una dirección en cada punto del espacio y el tiempo. Las cargas eléctricas producen un campo vectorial llamado campo eléctrico . El valor numérico del campo eléctrico, también llamado intensidad del campo eléctrico, determina la magnitud de la fuerza eléctrica que experimentará una partícula cargada en dicho campo, y la dirección del campo determina la dirección de dicha fuerza.

Por convención, la dirección del campo eléctrico es la misma que la de la fuerza sobre las cargas positivas y opuesta a la de la fuerza sobre las cargas negativas. [ 3 ] [ 4 ] Dado que las cargas positivas se repelen entre sí y se atraen hacia las negativas, esto significa que los campos eléctricos apuntan alejándose de las cargas positivas y dirigiéndose hacia las negativas. Estas propiedades del campo eléctrico se resumen en la ecuación de la fuerza eléctrica sobre una carga, expresada en términos del campo eléctrico: F=qmi{\displaystyle F=qE} donde F es la fuerza sobre una carga q en un campo eléctrico E. [ 4 ] [ 5 ]

Además de producir un campo eléctrico, las partículas cargadas producen un campo magnético cuando están en movimiento, el cual es percibido por otras cargas en movimiento (así como por imanes permanentes ). [ 6 ] La dirección de la fuerza sobre una carga en movimiento debida a un campo magnético es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la dirección de las líneas del campo magnético y se puede determinar mediante la regla de la mano derecha . La magnitud de la fuerza viene dada por la ecuación F=qvBpecado⁡θ{\displaystyle F=qvB\sin \theta } donde F es la fuerza sobre una carga q con velocidad v en un campo magnético B que apunta en una dirección con un ángulo θ con respecto a la dirección del movimiento de la carga. [ 7 ]

Si no hay ninguna carga encerrada por una superficie cerrada, entonces la cantidad de campo eléctrico que fluye hacia ella debe cancelarse exactamente con el campo eléctrico que fluye hacia afuera.
Debido a que el flujo de campo magnético que sale de una superficie cerrada debe anularse con el flujo que entra en ella, los imanes deben tener polos norte y sur que no pueden separarse en monopolos.

La combinación de las fuerzas eléctrica y magnética sobre una partícula cargada se denomina fuerza de Lorentz . [ 7 ] [ 8 ] El electromagnetismo clásico se describe completamente mediante la fuerza de Lorentz junto con un conjunto de ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell . La primera de estas ecuaciones se conoce como la ley de Gauss . Describe el campo eléctrico producido por partículas cargadas y por distribuciones de carga . Según la ley de Gauss, el flujo (o corriente) del campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada es proporcional a la cantidad de carga encerrada por dicha superficie. [ 9 ] [ 10 ] Esto significa que cuanto mayor sea la carga, mayor será el campo eléctrico producido. También tiene otras implicaciones importantes. Por ejemplo, esta ley significa que si no hay carga encerrada por la superficie, entonces o bien no hay campo eléctrico en absoluto o, si hay una carga cerca pero fuera de la superficie cerrada, el flujo del campo eléctrico hacia la superficie debe cancelarse exactamente con el flujo hacia afuera de la superficie. [ 11 ] La segunda de las ecuaciones de Maxwell se conoce como la ley de Gauss para el magnetismo y, de manera similar a la primera ley de Gauss, describe el flujo, pero en lugar de flujo eléctrico , describe el flujo magnético . Según la ley de Gauss para el magnetismo, el flujo de campo magnético a través de una superficie cerrada es siempre cero. Esto significa que si hay un campo magnético, el flujo hacia dentro de la superficie cerrada siempre se cancelará con el flujo hacia fuera de la superficie cerrada. Esta ley también se ha llamado "no monopolos magnéticos" porque significa que cualquier flujo magnético que salga de una superficie cerrada debe regresar a ella, lo que significa que los polos magnéticos positivos y negativos deben unirse como un dipolo magnético y nunca pueden separarse en monopolos magnéticos . [ 12 ] Esto es en contraste con las cargas eléctricas que pueden existir como cargas positivas y negativas separadas.

Regla de agarre de la mano derecha para un cable recto (izquierda) y para un cable enrollado (derecha). Una corriente eléctrica que pasa a través de un cable enrollado alrededor de un núcleo de hierro puede producir un electroimán .

La tercera de las ecuaciones de Maxwell se llama ley de Ampère-Maxwell . Establece que un campo magnético puede ser generado por una corriente eléctrica . [ 13 ] La dirección del campo magnético viene dada por la regla de la mano derecha de Ampère . Si el cable es recto, el campo magnético se curva a su alrededor como los dedos que se sujetan en la regla de la mano derecha. Si el cable está enrollado en bobinas, el campo magnético dentro de las bobinas apunta en línea recta como el pulgar extendido en la regla de la mano derecha. [ 14 ] Cuando se utilizan corrientes eléctricas para producir un imán de esta manera, se le llama electroimán . Los electroimanes suelen utilizar un cable enrollado en forma de solenoide alrededor de un núcleo de hierro que fortalece el campo magnético producido porque el núcleo de hierro se magnetiza. [ 15 ] [ 16 ] La extensión de Maxwell a la ley establece que un campo eléctrico variable en el tiempo también puede generar un campo magnético. [ 12 ] De manera similar, la ley de inducción de Faraday establece que un campo magnético puede producir una corriente eléctrica. Por ejemplo, un imán que se introduce y se extrae de una bobina de alambres puede producir una corriente eléctrica en las bobinas que es proporcional a la fuerza del imán, así como al número de bobinas y a la velocidad a la que el imán se inserta y se extrae de las bobinas. Este principio es esencial para los transformadores que se utilizan para transformar corrientes de alto voltaje a bajo voltaje, y viceversa. Son necesarios para convertir la electricidad de la red de alto voltaje en electricidad de bajo voltaje que se puede utilizar de forma segura en los hogares. La formulación de Maxwell de la ley se da en la ecuación de Maxwell-Faraday —la cuarta y última de las ecuaciones de Maxwell— que establece que un campo magnético variable en el tiempo produce un campo eléctrico.

El espectro electromagnético

En conjunto, las ecuaciones de Maxwell proporcionan una teoría uniforme de los campos eléctricos y magnéticos, y el trabajo de Maxwell en la creación de esta teoría ha sido llamado "la segunda gran unificación en física" después de la primera gran unificación de la ley de gravitación universal de Newton . [ 17 ] La solución a las ecuaciones de Maxwell en el espacio libre (donde no hay cargas ni corrientes) produce ecuaciones de onda correspondientes a ondas electromagnéticas (con componentes tanto eléctricas como magnéticas) que viajan a la velocidad de la luz . [ 18 ] La observación de que estas soluciones de onda tenían una velocidad de onda exactamente igual a la velocidad de la luz llevó a Maxwell a hipotetizar que la luz es una forma de radiación electromagnética y a postular que otra radiación electromagnética podría existir con diferentes longitudes de onda. [ 19 ] La existencia de radiación electromagnética fue probada por Heinrich Hertz en una serie de experimentos que abarcan desde 1886 hasta 1889 en los que descubrió la existencia de ondas de radio . El espectro electromagnético completo (en orden de frecuencia creciente) consta de ondas de radio, microondas , radiación infrarroja , luz visible , luz ultravioleta , rayos X y rayos gamma . [ 20 ]

El marco del laboratorio
El sistema de referencia en reposo del electrón

Una mayor unificación del electromagnetismo se produjo con la teoría especial de la relatividad de Einstein . Según la relatividad especial, los observadores que se mueven a diferentes velocidades entre sí ocupan diferentes sistemas de referencia observacionales . Si un observador se mueve con respecto a otro, experimenta una contracción de la longitud, donde los objetos inmóviles parecen estar más cerca entre sí para el observador en movimiento que para el observador en reposo. Por lo tanto, si un electrón se mueve a la misma velocidad que la corriente en un cable neutro, percibe que los electrones que fluyen por el cable están inmóviles con respecto a él y que las cargas positivas están contraídas. En el sistema de referencia del laboratorio , el electrón se mueve y, por lo tanto, siente una fuerza magnética de la corriente en el cable, pero como el cable es neutro, no siente ninguna fuerza eléctrica. Sin embargo, en el sistema de referencia en reposo del electrón , las cargas positivas parecen estar más cerca entre sí en comparación con los electrones que fluyen, por lo que el cable parece estar cargado positivamente. Por lo tanto, en el sistema de referencia en reposo del electrón no siente ninguna fuerza magnética (porque no se mueve en su propio sistema de referencia), pero sí siente una fuerza eléctrica debido al cable cargado positivamente. Este resultado de la relatividad demuestra que los campos magnéticos son simplemente campos eléctricos en un sistema de referencia diferente (y viceversa), por lo que ambos son manifestaciones diferentes del mismo campo electromagnético subyacente . [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Conductores, aislantes y circuitos

Conductores

En un conductor perfecto, las cargas se redistribuyen de tal manera que el campo eléctrico en su interior es siempre cero.

Un conductor es un material que permite que los electrones fluyan fácilmente. Los conductores más eficaces suelen ser los metales, ya que pueden describirse con bastante precisión mediante el modelo de electrones libres, en el que los electrones se deslocalizan de los núcleos atómicos , dejando iones positivos rodeados por una nube de electrones libres. [ 24 ] Ejemplos de buenos conductores incluyen el cobre , el aluminio y la plata . Los cables en electrónica suelen estar hechos de cobre. [ 25 ]

Las principales propiedades de los conductores son: [ 26 ]

  1. El campo eléctrico es cero dentro de un conductor perfecto. Debido a que las cargas pueden moverse libremente en un conductor, cuando son perturbadas por un campo eléctrico externo, se reorganizan de tal manera que el campo que produce su configuración anula exactamente el campo eléctrico externo dentro del conductor.
  2. El potencial eléctrico es el mismo en todo el interior del conductor y constante en toda su superficie. Esto se deduce de la primera afirmación, ya que el campo es cero en todo el interior del conductor y, por lo tanto, el potencial también es constante en su interior.
  3. El campo eléctrico es perpendicular a la superficie de un conductor. Si no fuera así, el campo tendría una componente distinta de cero en la superficie del conductor, lo que provocaría que las cargas en el conductor se desplazaran hasta que dicha componente del campo se anulara.
  4. El flujo eléctrico neto a través de una superficie es proporcional a la carga encerrada por dicha superficie. Esto es una reformulación de la ley de Gauss .

En algunos materiales, los electrones están ligados a los núcleos atómicos y, por lo tanto, no pueden moverse libremente, pero la energía necesaria para liberarlos es baja. En estos materiales, llamados semiconductores , la conductividad es baja a bajas temperaturas, pero a medida que aumenta la temperatura, los electrones ganan más energía térmica y la conductividad aumenta. [ 27 ] El silicio es un ejemplo de semiconductor que se puede utilizar para crear células solares , las cuales se vuelven más conductoras a medida que reciben más energía de los fotones del sol. [ 28 ]

Los superconductores son materiales que presentan poca o ninguna resistencia al flujo de electrones cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica determinada. La superconductividad solo puede explicarse mediante el principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica , que establece que dos fermiones (un electrón es un tipo de fermión) no pueden ocupar exactamente el mismo estado cuántico . En los superconductores, por debajo de cierta temperatura, los electrones forman pares ligados de bosones que no siguen este principio, lo que significa que todos los electrones pueden caer al mismo nivel de energía y moverse juntos de forma uniforme en una corriente. [ 29 ]

Aisladores

En un material dieléctrico, un campo eléctrico puede polarizar dicho material.

Los aislantes son materiales que ofrecen una alta resistencia al flujo de electrones, por lo que se utilizan a menudo para recubrir cables conductores por motivos de seguridad. En los aislantes, los electrones están fuertemente ligados a los núcleos atómicos y la energía necesaria para liberarlos es muy alta, por lo que no pueden moverse libremente y se resisten al movimiento inducido por un campo eléctrico externo. [ 30 ] Sin embargo, algunos aislantes, denominados dieléctricos , pueden polarizarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo, de modo que las cargas se desplazan mínimamente formando dipolos que crean un lado positivo y otro negativo. [ 31 ] Los dieléctricos se utilizan en los condensadores para permitirles almacenar más energía potencial eléctrica en el campo eléctrico entre las placas del condensador. [ 32 ]

condensadores

Un condensador de placas paralelas

Un capacitor es un componente electrónico que almacena energía potencial eléctrica en un campo eléctrico entre dos placas conductoras con cargas opuestas. Si una de las placas conductoras tiene una densidad de carga de + Q/A y la otra tiene una carga de -Q/A , donde A es el área de las placas, entonces habrá un campo eléctrico entre ellas. La diferencia de potencial entre dos placas paralelas V se puede derivar matemáticamente como [ 33 ].

V=Qdε0A{\displaystyle V={Qd \over \varepsilon _ {0}A}}

donde d es la separación de las placas yε0{\textstyle \varepsilon _{0}}es la permitividad del espacio libre . La capacidad del condensador para almacenar energía potencial eléctrica se mide mediante la capacitancia , que se define comodo=Q/V{\textstyle C=Q/V}y para un condensador de placas paralelas esto es [ 33 ]

do=ε0Ad{\displaystyle C={\varepsilon _{0}A \over d}}

Si se coloca un dieléctrico entre las placas, la permitividad del espacio libre se multiplica por la permitividad relativa del dieléctrico y la capacitancia aumenta. [ 32 ] La energía máxima que puede almacenar un capacitor es proporcional a la capacitancia y al cuadrado de la diferencia de potencial entre las placas. [ 33 ]

mi=12doV2{\displaystyle E={\frac {1}{2}}CV^{2}}

Inductores

Un inductor es un componente electrónico que almacena energía en un campo magnético dentro de una bobina de alambre. Una bobina de alambre por la que circula corriente induce un campo magnético según la ley circuital de Ampère . Cuanto mayor sea la corriente I , mayor será la energía almacenada en el campo magnético y menor la inductancia que se defineL=ΦB/I{\textstyle L=\Phi _{B}/I}dóndeΦB{\textstyle \Phi _{B}}es el flujo magnético producido por la bobina de alambre. La inductancia es una medida de la resistencia del circuito a un cambio en la corriente, por lo que los inductores con alta inductancia también pueden usarse para oponerse a la corriente alterna . [ 34 ]

Otros componentes del circuito

Leyes de circuito

Regla de unión de Kirchhoff (arriba):

I 1 + I 2 + I 3 = I 4 + I 5

Regla de Kirchhoff para bucles (abajo):

V 1 + V 2 + V 3 + V 4 = 0

La teoría de circuitos se ocupa de redes eléctricas donde los campos están confinados principalmente alrededor de conductores que transportan corriente . En tales circuitos, se pueden utilizar leyes de circuitos simples en lugar de derivar todo el comportamiento de los circuitos directamente de las leyes electromagnéticas. La ley de Ohm establece la relación entre la corriente I y la tensión V de un circuito mediante la introducción de la magnitud conocida como resistencia R [ 35 ].

Ley de Ohm:I=V/R{\displaystyle I=V/R}

El poder se define comoPAG=IV{\displaystyle P=IV}Por lo tanto, la ley de Ohm se puede utilizar para decirnos la potencia del circuito en términos de otras cantidades [ 36 ].

PAG=IV=V2/R=I2R{\displaystyle P=IV=V^{2}/R=I^{2}R}

La regla de Kirchhoff para nodos establece que la corriente que entra en un nodo debe ser igual a la corriente que sale del nodo. Esto se deriva de la conservación de la carga , ya que la corriente se define como el flujo de carga a lo largo del tiempo. Si una corriente se divide al salir de un nodo, la suma de las corrientes resultantes es igual a la corriente de entrada. [ 37 ]

La regla de las mallas de Kirchhoff establece que la suma de los voltajes en un circuito cerrado es igual a cero. Esto se debe a que el campo eléctrico es conservativo , lo que significa que, independientemente del camino recorrido, el potencial en un punto no cambia al regresar a él. [ 37 ]

Las reglas también pueden indicarnos cómo sumar cantidades como la corriente y el voltaje en circuitos en serie y en paralelo . [ 37 ]

En los circuitos en serie, la corriente permanece igual para cada componente y los voltajes y las resistencias se suman:

Vtot=V1+V2+V3+…Rtot=R1+R2+R3+…I=I1=I2=I3=…{\displaystyle V_{tot}=V_{1}+V_{2}+V_{3}+\ldots \qquad R_{tot}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+\ldots \qquad I=I_{1}=I_{2}=I_{3}=\ldots }

En los circuitos en paralelo, el voltaje permanece igual para cada componente y las corrientes y resistencias se relacionan como se muestra:

Vtot=V1=V2=V3=…1Rtot=1R1+1R2+1R3+…Itot=I1+I2+I3+…{\displaystyle V_{tot}=V_{1}=V_{2}=V_{3}=\ldots \qquad {1 \over R_{tot}}={1 \over R_{1}}+{1 \over R_{2}}+{1 \over R_{3}}+\ldots \qquad I_{tot}=I_{1}+I_{2}+I_{3}+\ldots }

Véase también

Referencias

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