El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Al principio, la electricidad y el magnetismo se estudiaron por separado y se consideraron fenómenos separados. Hans Christian Ørsted descubrió que los dos estaban relacionados: las corrientes eléctricas dan lugar al magnetismo. Michael Faraday descubrió lo contrario, que el magnetismo podía inducir corrientes eléctricas, y James Clerk Maxwell reunió todo en una teoría unificada del electromagnetismo. Las ecuaciones de Maxwell indicaron además que existían ondas electromagnéticas , y los experimentos de Heinrich Hertzconfirmó esto, haciendo posible la radio . Maxwell también postuló, correctamente, que la luz era una forma de onda electromagnética, por lo que toda la óptica era una rama del electromagnetismo. Las ondas de radio se diferencian de la luz solo en que la longitud de onda de las primeras es mucho más larga que la de las últimas. Albert Einstein demostró que el campo magnético surge a través del movimiento relativista del campo eléctrico y, por lo tanto, el magnetismo es simplemente un efecto secundario de la electricidad. El tratamiento teórico moderno del electromagnetismo es como un campo cuántico en electrodinámica cuántica .
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 situaciones que involucran objetos macroscópicos . Con pocas excepciones, la teoría cuántica solo es necesaria a escala atómica y se puede aplicar un tratamiento clásico más simple. En situaciones limitadas son posibles simplificaciones adicionales del tratamiento. La electrostática se ocupa solo de las cargas eléctricas estacionarias, por lo que los campos magnéticos no surgen y no se consideran. Los imanes permanentes se pueden describir sin hacer referencia a la electricidad o el electromagnetismo. La teoría de circuitos se ocupa de las redes eléctricas donde los campos están confinados en gran medida alrededor de conductores que transportan corriente . En tales circuitos, incluso se puede prescindir de las ecuaciones de Maxwell y se pueden utilizar 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 interacciones de la mecánica cuántica 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 de túnel .
Carga eléctrica
El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravedad , la fuerza fuerte y la fuerza débil . Mientras que la gravedad actúa sobre todas las cosas que tienen masa, el electromagnetismo actúa sobre todas las cosas que tienen carga eléctrica . Además, como existe la conservación de la masa según la cual la masa no se puede crear ni destruir, también existe la conservación de la carga, lo que significa que la carga en un sistema cerrado (donde no hay cargas que salgan ni entren) debe permanecer constante. [1] La ley fundamental que describe la fuerza gravitacional sobre un objeto masivo en la física clásica es la ley de gravedad de Newton . De manera análoga, la ley de Coulomb es la ley fundamental que describe la fuerza que los objetos cargados ejercen entre sí. Está dado por la fórmula
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 entre sí y que cuanto más fuertes son las cargas de las partículas, más fuerte es la fuerza que ejercen unas sobre otras. La ley también es una ley del cuadrado inverso, lo que significa que a medida que se duplica la distancia entre dos partículas, la fuerza sobre ellas se reduce en un factor de cuatro. [2]
Campos eléctricos y magnéticos
En física, los campos son entidades que interactúan con la materia y se pueden describir matemáticamente asignando un valor a cada punto en el espacio y el tiempo. Los campos vectoriales son campos a los que se les asigna un valor numérico y una dirección en cada punto en el 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 intensidad de la fuerza eléctrica que sentirá una partícula cargada en el campo y la dirección del campo determina en qué dirección estará la fuerza. Por convención, la La dirección del campo eléctrico es la misma que la dirección de la fuerza sobre cargas positivas y opuesta a la dirección de la fuerza sobre cargas negativas. [3] [4] Debido a que las cargas positivas son repelidas por otras cargas positivas y son atraídas por cargas negativas, esto significa que los campos eléctricos apuntan lejos de las cargas positivas y hacia las cargas negativas. Estas propiedades del campo eléctrico están encapsuladas en la ecuación de la fuerza eléctrica sobre una carga escrita en términos del campo eléctrico:
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 producirán un campo magnético cuando se encuentren en un estado de movimiento que será sentido por otras cargas que estén en movimiento (así como los imanes permanentes ). [6] La dirección de la fuerza sobre una carga en movimiento desde un campo magnético es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la dirección de las líneas del campo magnético y se puede encontrar usando la regla de la mano derecha . La fuerza de la fuerza viene dada por la ecuación
donde F es la fuerza sobre una carga q con velocidad v en un campo magnético B que apunta en una dirección de ángulo θ desde la dirección de movimiento de la carga. [7]
La combinación de las fuerzas eléctricas y magnéticas sobre una partícula cargada se llama fuerza de Lorentz . [7] [8] El electromagnetismo clásico está completamente descrito por la fuerza de Lorentz junto con un conjunto de ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell . La primera de estas ecuaciones se conoce como ley de Gauss . Describe el campo eléctrico producido por partículas cargadas y por distribuciones de carga . Según la ley de Gauss, el flujo (o flujo) del campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada es proporcional a la cantidad de carga que está encerrada en esa superficie. [9] [10] Esto significa que cuanto mayor es la carga, mayor es el campo eléctrico que se produce. También tiene otras implicaciones importantes. Por ejemplo, esta ley significa que si no hay carga encerrada por la superficie, entonces no hay campo eléctrico en absoluto o, si hay una carga cerca pero fuera de la superficie cerrada, el flujo de campo eléctrico hacia la superficie. debe cancelar exactamente con el flujo de la superficie. [11] La segunda de las ecuaciones de Maxwell se conoce como ley de Gauss para el magnetismo y, de manera similar a la primera ley de Gauss, describe el flujo, pero en lugar del 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 la superficie cerrada siempre se cancelará con el flujo hacia afuera de la superficie cerrada. Esta ley también se ha llamado "no monopolos magnéticos" porque significa que cualquier flujo magnético que fluya desde una superficie cerrada debe fluir de regreso 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 contrasta con las cargas eléctricas que pueden existir como cargas positivas y negativas separadas.
La tercera de las ecuaciones de Maxwell se llama ley de Ampère-Maxwell . Afirma que un campo magnético puede ser generado por una corriente eléctrica . [13] La dirección del campo magnético viene dada por la regla de agarre de la mano derecha de Ampère . Si el cable es recto, entonces el campo magnético se enrolla a su alrededor como los dedos agarrados en la regla de la mano derecha. Si el cable está enrollado en bobinas, entonces el campo magnético dentro de las bobinas apunta en línea recta como el pulgar extendido en la regla de agarre de la mano derecha. [14] Cuando se utilizan corrientes eléctricas para producir un imán de esta manera, se denomina electroimán . Los electroimanes a menudo usan un cable enrollado en un solenoide alrededor de un núcleo de hierro que refuerza 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 empujado hacia adentro y hacia afuera de una bobina de cables 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 se inserta y extrae el imán. las bobinas. Este principio es fundamental para los transformadores que se utilizan para transformar corrientes de alta tensión a baja tensión y viceversa. Son necesarios para convertir la electricidad de la red de alto voltaje en electricidad de bajo voltaje que se pueda 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.
Juntas, las ecuaciones de Maxwell proporcionan una única 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 Newton de la gravitación universal . [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 eléctricos como magnéticos) que viajan a la velocidad de la luz . [18] La observación de que estas soluciones de ondas tenían una velocidad de onda exactamente igual a la velocidad de la luz llevó a Maxwell a plantear la hipótesis de que la luz es una forma de radiación electromagnética y postular que podrían existir otras radiaciones electromagnéticas con diferentes longitudes de onda. [19] La existencia de radiación electromagnética fue probada por Heinrich Hertz en una serie de experimentos que abarcaron 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]
Una nueva unificación del electromagnetismo llegó 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 marcos de referencia de observación . Si un observador está en movimiento en relación con otro observador, experimenta una contracción de la longitud en la que los objetos inmóviles aparecen más juntos 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, entonces experimentan que los electrones que fluyen en el cable permanecen inmóviles en relación con él y las cargas positivas se contraen juntas. En el marco del laboratorio , el electrón se mueve y, por lo tanto, siente una fuerza magnética de la corriente en el cable, pero debido a que el cable es neutral, no siente ninguna fuerza eléctrica. Pero en el marco de reposo del electrón , las cargas positivas parecen más juntas en comparación con los electrones que fluyen, por lo que el cable parece cargado positivamente. Por lo tanto, en el marco de reposo del electrón no siente ninguna fuerza magnética (porque no se mueve en su propio marco) pero sí siente una fuerza eléctrica debido al cable cargado positivamente. Este resultado de la relatividad demuestra que los campos magnéticos son solo campos eléctricos en un marco de referencia diferente (y viceversa) y, por lo tanto, los dos son manifestaciones diferentes del mismo campo electromagnético subyacente . [21] [22] [23]
Conductores, aislantes y circuitos
Conductores
Un conductor es un material que permite que los electrones fluyan fácilmente. Los conductores más efectivos suelen ser metales porque 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 cobre , aluminio y plata . Los cables de la electrónica suelen estar hechos de cobre. [25]
Las principales propiedades de los conductores son: [26]
- 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 cancela exactamente el campo eléctrico externo dentro del conductor.
- El potencial eléctrico es el mismo en todas partes dentro del conductor y es constante en toda la superficie del conductor. Esto se deduce de la primera declaración porque el campo es cero en todas partes dentro del conductor y, por lo tanto, el potencial también es constante dentro del conductor.
- El campo eléctrico es perpendicular a la superficie de un conductor. Si este no fuera el caso, el campo tendría un componente distinto de cero en la superficie del conductor, lo que haría que las cargas en el conductor se movieran hasta que ese componente del campo fuera cero.
- El flujo eléctrico neto a través de una superficie es proporcional a la carga encerrada por la superficie. Esta es una reafirmación de la ley de Gauss .
En algunos materiales, los electrones están unidos a los núcleos atómicos y, por lo tanto, no tienen libertad para moverse, pero la energía necesaria para liberarlos es baja. En estos materiales, llamados semiconductores , la conductividad es baja a bajas temperaturas pero a medida que la temperatura aumenta, los electrones ganan más energía térmica y la conductividad aumenta. [27] El silicio es un ejemplo de semiconductores que se pueden utilizar para crear paneles solares que se vuelven más conductores cuanto más energía reciben de los fotones del sol. [28]
Los superconductores son materiales que exhiben poca o ninguna resistencia al flujo de electrones cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura crítica. La superconductividad solo puede explicarse por el principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica, que establece que no hay dos fermiones (un electrón es un tipo de fermión) que puedan ocupar exactamente el mismo estado cuántico . En los superconductores, por debajo de cierta temperatura, los electrones forman pares ligados a bosones que no siguen este principio y esto significa que todos los electrones pueden caer al mismo nivel de energía y moverse juntos uniformemente en una corriente. [29]
Aislantes
Los aislantes son materiales que son altamente resistentes al flujo de electrones y, por lo tanto, se usan a menudo para cubrir cables conductores por seguridad. En los aisladores, los electrones están estrechamente unidos a los núcleos atómicos y la energía para liberarlos es muy alta, por lo que no son libres para moverse y son resistentes al movimiento inducido por un campo eléctrico externo. [30] Sin embargo, algunos aislantes, llamados dieléctricos , se pueden polarizar bajo la influencia de un campo eléctrico externo de modo que las cargas se desplacen minuciosamente formando dipolos que crean un lado positivo y 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 es un componente electrónico que almacena energía potencial eléctrica en un campo eléctrico entre dos placas conductoras cargadas de manera opuesta. 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]
donde d es la separación de placas yes la permitividad del espacio libre . La capacidad del capacitor para almacenar energía potencial eléctrica se mide por la capacitancia que se define comoy para un condensador de placa en paralelo esto es [33]
Si se coloca un dieléctrico entre las placas, entonces 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 condensador es proporcional a la capacitancia y al cuadrado de la diferencia de potencial entre las placas [33]
Inductores
Un inductor es un componente electrónico que almacena energía en un campo magnético dentro de una bobina de alambre. Una bobina de alambre portadora de corriente induce un campo magnético de acuerdo con la ley circuital de Ampère . Cuanto mayor es la corriente I , mayor es la energía almacenada en el campo magnético y menor es la inductancia que se define dónde 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 también se pueden usar inductores con inductancias altas para oponerse a la corriente alterna . [34]
Otros componentes del circuito
Componente | Función principal | Símbolo esquemático |
---|---|---|
Resistor | Impide el flujo de corriente | |
Batería | Actúa como fuente de energía. | |
Fuente de voltaje DC | Actúa como una fuente de corriente continua (DC), una corriente constante que apunta en una dirección | |
Fuente de voltaje CA | Actúa como una fuente de corriente alterna (CA), una corriente variable que invierte periódicamente la dirección | |
Diodo | Permite que la corriente fluya fácilmente en una dirección pero no en otra. | |
Condensador | Almacena energía en campos eléctricos, almacena carga, pasa corriente alterna de baja frecuencia | |
Inductor | Almacena energía en campos magnéticos, resiste cambios en la corriente. |
Leyes de circuito
La teoría de circuitos se ocupa de las redes eléctricas donde los campos están confinados en gran medida alrededor de conductores que transportan corriente . En tales circuitos, se pueden usar 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 el voltaje V de un circuito introduciendo la cantidad conocida como resistencia R [35]
Ley de Ohm:
El poder se define comoentonces la ley de Ohm puede usarse para decirnos la potencia del circuito en términos de otras cantidades [36]
La regla de unión de Kirchhoff establece que la corriente que entra en una unión (o nodo) debe ser igual a la corriente que sale del nodo. Esto proviene 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 cuando sale de una unión, la suma de las corrientes divididas resultantes es igual al circuito entrante. [37]
La regla del bucle de Kirchhoff establece que la suma del voltaje en un bucle cerrado alrededor de un circuito es igual a cero. Esto se debe al hecho de que el campo eléctrico es conservador, lo que significa que no importa el camino que se tome, el potencial en un punto no cambia cuando regresa allí. [37]
Las reglas también pueden decirnos cómo sumar cantidades como la corriente y el voltaje en circuitos en serie y en paralelo . [37]
Para los circuitos en serie, la corriente sigue siendo la misma para cada componente y los voltajes y resistencias se suman:
Para circuitos en paralelo, el voltaje sigue siendo el mismo para cada componente y las corrientes y resistencias están relacionadas como se muestra:
Ver también
- Lista de libros de texto sobre electromagnetismo
Referencias
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