©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
©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.
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−
=
×
×
−
×
×
=
− − −©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.
3
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 =
©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.
4
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.
©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.
5
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
=
©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.
6
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=
©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.
7
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).
©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.
8
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.
©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.
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.
©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.
10
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.
©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.
11
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.