Campo electrostático

Se representa por líneas de campo [Líneas tangentes en cada punto al vector intensidad de campo en ese punto. El número de estas que atraviesan una unidad de superficie perpendicular a las líneas es proporcional a la intensidad del campo en el punto. En un campo creado por una carga puntual estas tienen dirección radial y sentido que depende del signo de la carga que crea el campo. Las cargas positivas son manantiales y las negativas sumideros. En un campo creado por dos cargas, las líneas de campo se deforman en la zona intermedia donde se aprecia la carga de las dos. No se pueden cruzar] y superficies equipotenciales [regiones del espacio para las que el potencial eléctrico tiene el mismo valor. El trabajo para desplazar una carga de un punto a otro es mínimo. Si el campo está creado por una carga puntual, éstas son esferas con centro en la carga. Si está creado por dos cargas, estas se deforman en la zona donde está el efecto de ambas. No se pueden cortar y son perpendiculares a las líneas de campo].

Cargas en el seno de campos eléctricos uniformes

• Cargas suspendidas en campos eléctricos uniformes: suponemos un cuerpo cargado que pende de un hilo en un campo eléctrico uniforme. La fuerza que ejerce el campo hace que la cuerda se desplace un ángulo de la vertical. EF=0.
• Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme:
  • Campo E paralelo al desplazamiento inicial de la carga: [si la carga es positiva se ve sometida al MRUA en la misma dirección y sentido del movimiento. Si es negativa se ve sometida a una fuerza de sentido opuesto al campo. El resultado es un movimiento decelerado y la carga terminará girándose y desplazándose en sentido opuesto al inicial].
  • Campo E perpendicular al desplazamiento inicial de la carga: [el movimiento es bidimensional y la carga tendrá MRU en dirección de la velocidad inicial y MRUA en dirección del campo].

Líneas de campo magnético

El campo magnético se representa por líneas de campo. Se trazan de forma que en cada punto del espacio son tangentes al vector inducción magnética B y tienen el mismo sentido que éste, y la densidad de éstas en un punto es proporcional al módulo del vector inducción magnética B. Se visualizan colocando brújulas y espolvoreando limaduras de hierro y dejando que se orienten. Las líneas de campo magnético son cerradas y las líneas de campo de un imán de herradura salen del polo Norte y llegan al Sur.

Acciones entre corrientes

Cuando varios hilos de corriente circulan de forma paralela, se dan interacciones magnéticas en los cables que transportan corriente en la red eléctrica. Suponemos dos paralelos, cada uno crea un campo magnético cuya intensidad en el punto:

• Campo que crea la corriente 1 en 2: B1=[μ0·I1]/[2π·d].
• Fuerza magnética que sufre el conductor 2: F12/l=[μ0·I1·I2]/[2π·d].

De forma similar podemos calcular el campo que la corriente 2 crea en 1 y la fuerza magnética que sufre el conductor 1 como consecuencia. Obtendríamos F12=-F21. Si dos corrientes paralelas, I1 e I2 circulan en el mismo sentido, aparece una fuerza que tiende a que los hilos se aproximen. Si dos corrientes paralelas, I1 e I2, circulan en sentido contrario, aparece una fuerza que tiende a que los hilos se separen.

Definición de amperio

La unidad de intensidad de corriente, sobre la base de la fuerza de interacción magnética entre conductores rectilíneos. Si I1=I2=1A y d=1m, dado que μ0=(10^-7), la fuerza por unidad de longitud que ejercen entre sí dos conductores rectilíneos, indefinidos y paralelos, por los que circula una corriente de 1A, es 2·10^-7N, cuando la distancia entre ellos es de 1 metro.

Inducción electromagnética

Faraday introdujo una bobina conectada a una potente batería dentro de otra que a su vez estaba conectada a un galvanómetro con el que pretendía detectar la presencia de corriente eléctrica inducida por un campo magnético. Observó desplazamiento en la aguja del galvanómetro cuando cerraba o abría el interruptor que llevaba corriente a la bobina y la convertía en imán. Pensó que la corriente inducida solo aparece en los breves instantes que van desde que el campo magnético es 0 hasta que tiene un valor concreto y viceversa. También comprobó que si desplaza la bobina pequeña conectada a la batería hacia adentro y hacia fuera de la exterior, la aguja del galvanómetro indicaba paso de corriente en la bobina exterior. Faraday llamó inductor a la bobina cargada o al imán que provoca la aparición de corriente, e inducido a la bobina en la que se genera corriente inducida.

• Aparece una corriente inducida cuando el inductor, origen del campo magnético, y el inducido se mueven uno con respecto al otro.
• Cuando el movimiento es en un sentido, la aguja del galvanómetro se desplaza en un sentido y cuando cambia el sentido del movimiento la aguja del galvanómetro se desplaza en sentido contrario.
• La intensidad de la corriente inducida es mayor cuando más rápido es el movimiento relativo del inductor y del inducido.
• Para que se produzca una corriente inducida tiene que darse una variación en las líneas de inducción magnética que atraviesan el inducido.

Ley de Biot-Savart

En un hilo de corriente hay una distribución de cargas. Esta ley dice que dB=[μ0·I·dl x ur]/[4π·(r²)]. Sobre la línea del hilo de corriente el campo eléctrico d es 0, ya que las cargas se mueven en dirección de r. En cualquier otro punto P que esté en un plano perpendicular al hilo de corriente, las líneas de campo magnético son circunferencias concéntricas con centro en el hilo de corriente. Por lo que un hilo de corriente por el que pasa una intensidad I, crea un campo magnético en sus proximidades. Para un punto P cuya distancia más corta al hilo sea x el módulo de la intensidad de campo es: B=[μ0·I]/[2π·x]. Las líneas de campo son circunferencias centradas en el hilo que se encuentran en el plano perpendicular al mismo y su sentido viene dado por la regla de la mano derecha.

Leyes de inducción electromagnética

• Ley de Lenz: Las experiencias de Faraday llevaron a la conclusión de que la causa de la corriente inducida que se origina en la bobina es la variación del flujo magnético que le llega. Estudiando esto, Lenz enunció la ley que determina el sentido de la corriente inducida: el sentido de ésta es tal que se opone a la causa que la origina. Al acercarse el polo norte del imán a la bobina se induce una corriente que provoca la aparición de una cara norte, lo que impide el movimiento del imán. Si la corriente inducida tuviese el sentido opuesto, se produciría una cara sur en la espira que atraería al imán.
• Ley de Faraday: cuando se introduce un conductor cerrado en una zona donde existe un campo magnético, la fem inducida es igual y de signo contrario a la rapidez con que varía el flujo magnético en el circuito: ε= -dΦ/dt; dΦ=B·S. Obtenida la fem inducida, podemos determinar la intensidad que circula si conocemos la resistencia del circuito porque según la ley de Ohm: I= ε/R = [-dΦ]/[Rdt].

Ecuaciones de Maxwell

Maxwell desarrolló la teoría electromagnética sobre las leyes que había de campos de electricidad y magnetismo. Su teoría se basa en 4 ecuaciones:

1. 1ª ecuación de Maxwell: Es el teorema de Gauss para el campo eléctrico que relaciona su flujo a través de una superficie cerrada con la carga que encierra. Por eso existen cargas eléctricas aisladas (monopolos eléctricos).
2. 2ª ecuación de Maxwell: Es el teorema de Gauss para el campo magnético: el flujo de un campo magnético a través de una superficie cerrada es 0. No hay monopolos magnéticos y las líneas del campo magnético son cerradas.
3. 3ª ecuación de Maxwell: Ley de Faraday sobre la inducción electromagnética: un campo magnético variable genera uno eléctrico que puede dar lugar a una corriente eléctrica si hay cargas que se puedan desplazar en un conductor.
4. 4ª ecuación de Maxwell: Ley de Ampère generalizada para corrientes de desplazamiento cuando hay campo eléctrico que varía con el tiempo sin corrientes de conducción. Conclusión: Un campo magnético variable en el tiempo induce uno eléctrico variable; un campo eléctrico variable en el tiempo produce uno magnético variable.

Si una carga eléctrica oscila, hay campo eléctrico variable que crea uno magnético que varía. Estas perturbaciones se propagan a los puntos próximos del espacio, dando lugar a una perturbación electromagnética. Las ondas electromagnéticas son la propagación en el espacio de un campo eléctrico y magnético variables con el tiempo.

Electromagnetismo y luz

Hertz produjo y detectó ondas electromagnéticas, por medio de circuitos, y comprobó que se propagaban a la velocidad de la luz: