Inducción Electromagnética

La inducción electromagnética es la producción de electricidad (corriente eléctrica) mediante magnetismo en determinadas condiciones. Los primeros científicos que la estudiaron fueron Faraday y Henry, quienes observaron que en un circuito se genera una corriente eléctrica en las siguientes circunstancias:

• Si se acerca un imán al circuito, o se aleja del mismo. O bien el circuito se mueve con respecto al imán.
• Si hay un movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente continua.
• Si otro circuito transporta una corriente variable con el tiempo, aunque ambos estén en reposo.
• Por deformación o giro del circuito en el seno de un campo magnético.

Todos los hechos anteriores pueden explicarse mediante la ley de Faraday que dice que:

La variación temporal de flujo del campo magnético (Φ) a través de un circuito genera en él una fuerza electromotriz:

La f.e.m se mide en Voltios en el SI.

El flujo (como es el producto escalar del campo por la superficie, B • S) varía si cambia el campo magnético, la forma del circuito, o la orientación entre el campo y el circuito. En estos casos habrá corrientes inducidas.

El signo negativo en la ley de Faraday indica que la fuerza electromotriz se opone a la variación de flujo.

Ley de Lenz

La f.e.m inducida origina una corriente cuyo campo magnético se opone a la variación del flujo magnético que la origina.

Una de las aplicaciones del principio de inducción electromagnética es en la generación de corriente eléctrica por transformación de trabajo mecánico en electricidad (por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas).

Fuerza Magnética

Se llama fuerza magnética a la fuerza que experimenta una carga puntual en movimiento en presencia de un campo magnético. Esta fuerza fue estudiada a lo largo del siglo XIX, por los científicos Faraday (Michael), Thompson (Joseph John) y Lorentz (Hendrik).

Como resultado de sus trabajos, se dedujo que la fuerza magnética sobre una partícula de carga q que se mueve con velocidad v en presencia de un campo magnético B es proporcional a la carga y al producto vectorial entre la velocidad y el campo magnético:

Por tanto, el módulo de la fuerza magnética es Fm = ||v|| ||B|| senα y la dirección y sentido vienen determinados por la regla del producto vectorial.

La expresión matemática de la fuerza magnética, estaba de acuerdo con el hecho experimental de que la fuerza era nula si la partícula estaba en reposo o si su velocidad V era paralela a B y era máxima si los vectores B y V eran perpendiculares. Además, la fuerza era perpendicular tanto a B como a V

Fuerza de Lorentz

Si la carga está sometida simultáneamente a un campo eléctrico, E, y uno magnético, B, la fuerza que actúa sobre dicha carga se conoce como Fuerza de Lorentz y es la suma de la fuerza eléctrica y la magnética:

La fuerza de Lorentz ha sido fundamental para el estudio del electromagnetismo y tiene múltiples aplicaciones, tales como el espectrómetro de masas o el selector de velocidades.

Ondas Electromagnéticas

A mediados del siglo XIX, el físico escocés James C. Maxwell propuso un conjunto de ecuaciones que explicaban todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos, y además, predecían las ondas electromagnéticas (oem) cuya existencia fue verificada después por Hertz de forma experimental.

La teoría de Maxwell también demostró que la luz es una onda electromagnética y unificó así la óptica con el electromagnetismo.

Las oem son una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y auto-mantenidos, que se propagan a través del espacio transportando energía.

Sus principales características son:

• Pueden viajar en el vacío.
• Se propagan a la velocidad de la luz (en el vacío: c = 3-10⁸ m/s).
• Son ondas transversales: los campos eléctrico y magnético son perpendiculares, y son, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación.
• Pueden expresarse como ondas armónicas con doble periodicidad espacial y temporal.

Espectro Electromagnético

Las oem se diferencian por su frecuencia (que no varía aunque la onda cambie de medio). El espectro electromagnético es el conjunto de todos los tipos de ondas y contiene: ondas de radio (AM y FM) y de televisión, ondas de telefonía móvil, microondas (como las emitidas por los hornos), luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma, entre otras.

Las oem de mayor frecuencia (menor longitud de onda) son las más perjudiciales para los tejidos vivos, aunque se utilizan en medicina de forma controlada en el diagnóstico (radiografías) y tratamiento de enfermedades (radioterapia).

En el caso de la luz visible, la frecuencia determina los distintos colores que vemos. Las oem que emiten los cuerpos celestes nos permiten conocer el universo. Desde el punto de vista tecnológico, las oem son la base de las telecomunicaciones inalámbricas.

Dualidad Onda-Corpúsculo

Hasta el principio del siglo XX había dos teorías contrapuestas para explicar la naturaleza de la luz que parecían incompatibles entre sí. La teoría corpuscular, que considera que la luz está compuesta de partículas (o corpúsculos) y cuyo principal defensor fue Newton, y la teoría ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda. Aunque las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y de refracción, solo la teoría ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenómenos de interferencia y de difracción.

Esto, junto al desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, consolidó la idea a final del siglo XIX de que la luz era una onda electromagnética.

Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico. Supuso que una onda electromagnética de frecuencia f y longitud de onda λ se podía considerar compuesta por cuantos, o corpúsculos, que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía E = h • f (donde h es la constante de Planck) y un momento lineal p = h/λ. A estos cuantos se les llamó fotones.

La teoría de Einstein no invalidó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares.

Posteriormente, Louis De Broglie postuló, en el contexto de la mecánica cuántica, que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula de materia de momento lineal p tiene asociada una onda cuántica de longitud de onda λ tal que también se satisface la relación p = h/λ.

Esta dualidad en la materia se ha comprobado experimentalmente en multitud de ocasiones al observar en las partículas materiales como, por ejemplo, electrones, fenómenos propios de ondas como la difracción.