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Fenómenos electromagnéticos

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Academic year: 2021

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©UVEG. Derechos reservados. Esta obra no puede ser reproducida, modificada, distribuida, ni transmitida, parcial o totalmente, mediante cualquier medio, método o sistema impreso, electrónico, magnético, incluyendo el fotocopiado, la fotografía, la grabación o un sistema de recuperación de la información, sin la autorización por escrito de la Universidad Virtual del Estado de Guanajuato.

1

 

       

 Fenómenos  electromagnéticos  

 

por Enrique Hernández

 

   

Para comenzar a estudiar los fenómenos electromagnéticos es necesario precisar que la electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por cargas eléctricas en reposo.

La materia está formada por moléculas y éstas, a su vez, por átomos que poseen partículas positivas llamadas protones, partículas negativas llamadas electrones y partículas sin carga llamadas neutrones.

Cuando se frota una varilla de vidrio con un paño sintético, la varilla pierde electrones, por lo que se carga positivamente; la tela, por su parte, gana los electrones y queda cargada

negativamente. Figura 1. Storm #3 (Kargol, 2009).

Las cargas eléctricas ejercen entre ellas fuerzas de atracción o repulsión, según el signo de la carga y obedeciendo a las siguientes leyes:

• Cargas con signos iguales se repelen. • Cargas con signos diferentes se atraen.

La unidad de la carga eléctrica en el sistema internacional es el Coulomb, el cual se define como:

La cantidad de carga eléctrica que a una distancia de un metro ejerce una fuerza de 9 x 109 N sobre

otra carga igual.

Además se sabe que 1 Coulomb =6.24 x 1018 electrones.

Despejando puedes obtener que la carga del electrón es de -1.602 x 10-19 C

 

Ley  de  Coulomb  

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2

La fuerza con la que dos cagas eléctricas se atraen o repelen es proporcional a la magnitud de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Matemáticamente puede expresarse como:

2 2 1

r

q

q

k

F =

Donde k es la constante de proporcionalidad que vale 9x109 Nm2 /C2

Ejemplos

Encuentra la fuerza de atracción entre dos cargas eléctricas de 100x10-6 C y -50x10-6 C, respectivamente separadas por una distancia de 0.5 m.

Solución

Los datos de este problema son:

?

/

10

9

5

.

0

10

50

10

100

2 2 9 6 2 6 1

=

×

=

=

×

=

×

=

− −

F

C

Nm

k

m

r

C

q

C

q

Sustituyendo valores en la formula tienes:

2 2 1

r

q

q

k

F =

N

F

m

C

C

C

Nm

F

180

)

10

5

(

)

10

50

)(

10

100

(

)

/

10

9

(

1 2 6 6 2 2 9

=

×

×

×

×

=

− −

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Corriente  eléctrica  

 

La corriente eléctrica se define como el flujo de electrones a través de un conductor.

Para que circule una corriente eléctrica en un alambre es necesario que exista una carga positiva en un extremo y una negativa en el otro y para mantenerla son necesarias las siguientes condiciones:

• Que exista una fuente de electrones, es decir, un dispositivo que la genere, como una pila, una batería o un generador. • Que exista un conductor, es decir, un camino sin ninguna

interrupción en el exterior del generador para que circulen los electrones.

La intensidad de la corriente eléctrica se define como la cantidad de electrones portadores de carga eléctrica (Q) que pasa por una sección del conductor en un tiempo (t).

Matemáticamente se expresa como:

t

Q

I =

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 Ejemplo

Determinar la intensidad de corriente eléctrica en un conductor cuando circulan 86 Coulomb por una sección del mismo en una hora.

Solución

Los datos del problema son:

s

h

t

C

Q

I

3600

1

86

?

=

=

=

=

Sustituyes los valores en la expresión:

I =

Q

t

=

86C

3600s

I = 0.0238A

 

 

 

Ley  de  Ohm  

Figura 2. Gerog Ohm (Wikimedia Commons, s.f.).

En 1827 el físico alemán Georg Ohm enunció su ley en donde establecía la relación entre la corriente, el voltaje y la resistencia de un circuito eléctrico, de la siguiente manera:

La intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional al voltaje que se aplique e inversamente proporcional a la resistencia.

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Esta ley se expresa matemáticamente mediante la ecuación:

R

V

I =

En el sistema internacional (SI) las unidades correspondientes a estas magnitudes son:

Símbolo Magnitud Unidad Símbolo

I Corriente eléctrica Ampere A

V Voltaje Volt V

R Resistencia Ohm Ω

Tabla 1. Magnitudes.

Ejemplo

Calcula el voltaje que circula por una resistencia de 30 Ω si se aplica un voltaje de 9 V.

Solución

Los datos del problema son:

Ω

=

=

=

30

9

?

R

V

V

I

Sustituyes en la expresión de la Ley de Ohm

R

V

I =

A

I

V

I

3

.

0

30

9

=

Ω

=

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Potencia  eléctrica  

En mecánica se define a la potencia como la rapidez con la que un dispositivo puede realizar un trabajo. Ahora, el concepto de potencia eléctrica se define como:

La rapidez con la que un circuito eléctrico produce energía en una unidad de tiempo.

Para calcular esta potencia eléctrica multiplicas el voltaje aplicado al dispositivo por la intensidad de la corriente.

1)

P =

VI

En el sistema internacional sus unidades son:

]

][

[

]

[

Watt =

Volts

Amperes

Puedes obtener otras relaciones para el cálculo de la potencia si la combinas con la Ley de Ohm. Estas expresiones son las siguientes:

2)

P =

RI

2 3)

R

V

P

2

=

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Ejemplo

Para una lámpara que recibe una corriente de 0.50 A de una fuente de voltaje de 110V, ¿cuál será su potencia eléctrica?

Solución

Los datos del problema son:

V

V

A

I

P

110

50

.

0

?

=

=

=

Aplicas la expresión 1)

P =

VI

W

P

A

V

P

55

)

50

.

0

)(

110

(

=

=

Magnetismo  

El magnetismo es la propiedad que poseen algunos materiales de ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros. Algunos materiales que presentan esta propiedad son el hierro, níquel, cobalto, así como sus respectivas aleaciones. A estos materiales se les denomina imanes, los cuales tienen dos polos llamados polo norte y polo sur.

Cuando acercas los polos de dos imanes se presentan fuerzas magnéticas de atracción o repulsión: son fuerzas de repulsión si los polos son del mismo nombre (norte-norte) o (sur-sur) y son fuerzas de atracción si son polos de nombre contrario (norte-sur) o (sur-norte).

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El campo magnético es el espacio en donde se manifiestan las fuerzas magnéticas. Se describe mediante líneas que por convención salen del polo norte y entran al polo sur.

Figura 3. Campo magnético de los imanes.

El planeta tierra posee un campo magnético debido al núcleo terrestre formado por hierro y níquel principalmente. Es interesante saber que los polos magnéticos de la tierra no coinciden con los polos geográficos. El polo magnético del hemisferio norte está localizado al norte de Canadá.

Relación  entre  electricidad  y  magnetismo  

En 1831 el físico Michael Faraday demostró que si dentro de una bobina (alambre en forma de espiral) se pasa un imán, entonces se genera una corriente eléctrica. A esta corriente se le llama corriente inducida y a este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética.

Algunos años antes en 1820, el físico Hans Christian Oersted descubrió que al circular una corriente eléctrica por un alambre se produce un campo magnético alrededor de éste.

Estos dos descubrimientos son complementarios y muestran la relación estrecha entre la electricidad y el magnetismo.

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9

Figura 4. Experimento de Oersted.

Figura 5. Experimento de Faraday.

Aplicaciones  del  electromagnetismo  

Las principales aplicaciones del electromagnetismo se encuentran en aparatos o dispositivos que transforman la energía eléctrica a mecánica o viceversa. Por ejemplo:

Figura 6. Model de un generator electric al lui Nikola Tesla (Wikimedia Commons, 2012).

El generador eléctrico

Dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, está construido con base en electroimanes.

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Meccano motor in the workshop (Chatfield, 2010).

El motor eléctrico

Aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Está basado en la interacción entre campos magnéticos y la corriente eléctrica que circula por la bobina (llamada rotor).

Figura 8. Transformer (OiMax, 2006).

Los transformadores

Son aparatos que aumentan o disminuyen el voltaje de una corriente eléctrica; un transformador consta de dos bobinas sobre un núcleo de hierro.

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Referencias  de  las  imágenes  

Chatfield, L. (2010). Meccano motor in the workshop. Recuperada de

http://www.flickr.com/photos/elsie/4445069733/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:

http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).

Kargol, M. (2009). Storm #3. Recuperada de

http://www.flickr.com/photos/powazny/3781894781/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commns Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a: http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).

OiMax. (2006). Transformer. Recuperada de

http://www.flickr.com/photos/oimax/129998185/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commns Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:

http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).

Wikimedia Commons, (2012). Model de un generator electric al lui Nikola Tesla. Recuperada de

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Model_de_un_generator_electric_al_lui_ Nikola_Tesla.jpg (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain, de acuerdo a:

http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en).

Wikimedia Commons. (s.f.). Gerog Ohm. Recuperada de

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gerog_Ohm.jpg (Imagen de dominio público, de acuerdo a: http://en.wikipedia.org/wiki/Public_domain).

 Bibilografía  

Hewitt, P. (2007). Física Conceptual (10ª. ed.; V. A. Flores, Trad.). México: Pearson Educación.

Tippens, P. (2007). Física, conceptos y aplicaciones (7ª. ed.; A. C. González y Universidad Nacional Autónoma de México, Trads.). México: Mc Graw Hill.

Referencias

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Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño general y la cubierta, puede ser copiada, reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea

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