Campo Eléctrico

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que pueden poseer los cuerpos. Existen dos tipos de carga: positiva (+) y negativa (-). El protón es una partícula material que posee carga positiva (+) igual en magnitud a la carga negativa (-) del electrón. Q = +1.6 * 10^-19 C.

Ley de Conservación de la Carga

La carga eléctrica total en el universo permanece constante. Si en un lugar del universo aparece una cantidad de carga positiva, en otro lugar aparece la misma cantidad de carga negativa.

Interacción Eléctrica – Ley de Coulomb

Dos cargas eléctricas de distinto signo se atraen, y dos cargas del mismo signo se repelen con una fuerza directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

Principio de Superposición para el Campo Eléctrico

La interacción entre dos cargas eléctricas es independiente de la presencia de una tercera. La fuerza que ejerce un sistema de cargas sobre una carga dada es la suma vectorial de las fuerzas que ejercen cada una de las cargas del sistema sobre dicha carga por separado.

Campo Eléctrico (C.E.)

Cualquier carga eléctrica crea en la región del espacio que la rodea un campo eléctrico, que se pone de manifiesto cuando introducimos en dicha región una carga pequeña de prueba libre de ligaduras. El C.E. en un punto es una magnitud vectorial. Su dirección es radial y su módulo es igual a la fuerza que ejercería sobre una carga positiva unitaria situada en ese punto.

Energía Potencial y Potencial del C.E.

El C.E. es un campo de fuerzas centrales y, por lo tanto, conservativas. En consecuencia, posee energía potencial asociada.

Representa el trabajo necesario para trasladar una carga desde el infinito hasta su posición relativa.

Potencial Eléctrico

El potencial en un punto del C.E. se define como la energía potencial por unidad de carga positiva situada en dicho punto. El potencial de un C.E. creado por una carga puntual viene dado por:

El potencial (V) es una magnitud física escalar cuya unidad en el S.I. es el voltio (V).

Principio de Superposición para el Potencial Eléctrico

El potencial en un punto de un C.E. debido a un sistema de cargas es la suma de los potenciales que crean en dicho punto cada una de las cargas del sistema por separado.

Trabajo Eléctrico

El trabajo que realiza la fuerza del campo cuando se desplaza una carga q de un punto a otro, también se puede evaluar en función de la diferencia de potencial entre los puntos inicial y final.

Relación Campo-Potencial

Como el C.E. es un campo conservativo, se cumple el teorema de la energía potencial, que para un desplazamiento infinitesimal se expresa como:

Campo Magnético (C.M.)

Propiedad Fundamental del Magnetismo

Polos magnéticos del mismo nombre se repelen y de distinto nombre se atraen. Esta propiedad se explica admitiendo que un imán origina en la región del espacio que le rodea un C.M. El C.M. se pone de manifiesto mediante la denominada aguja magnética, que se dispone de tal modo que las líneas de fuerza del C.M. le entran por el polo sur y salen por el polo norte, indicando así la dirección del campo. El C.M. se representa mediante la inducción magnética (B). Es una magnitud física vectorial, cuya unidad en el S.I. es el Tesla (T).

Principios Básicos del Electromagnetismo

• Las cargas eléctricas en movimiento producen una interacción de tipo magnético, además de la interacción eléctrica dada por la ley de Coulomb.
• Toda carga eléctrica en movimiento produce un C.M. que interactúa con otra carga solo si esta está en movimiento.
• Un campo magnético cualquiera solamente actúa sobre una carga si esta está en movimiento.
• Se dice que en un punto de una región del espacio hay un C.M. cuando una carga móvil que pasa por dicho punto experimenta una fuerza.
• Los imanes artificiales y los naturales poseen propiedades magnéticas. En consecuencia, los electrones dentro de los átomos están en movimiento.
• Es aplicable el principio de superposición.

Fuentes Magnéticas

• Los imanes, naturales y artificiales.
• Las cargas móviles.
• La corriente eléctrica.

Interacciones entre C.M.

Fuerza que ejerce un C.M. sobre una carga en movimiento (Ley de Lorentz):

Aplicaciones del Movimiento de Cargas Eléctricas en C.M. Uniformes

• Ciclotrón: Es un acelerador de partículas que consta de un C.M. uniforme perpendicular a un campo eléctrico alterno y dos cajas semicirculares denominadas ‘Des’.
• Espectrógrafo de masas: Permite diferenciar la masa de partículas igualmente cargadas. Su aplicación más importante es la separación de isótopos.
• Selector de velocidades: Permite ajustar la velocidad de partículas cargadas usando dos campos uniformes, uno eléctrico y otro magnético perpendiculares entre sí.

Fuerza que ejerce un C.M. sobre un Hilo de Corriente – Ley de Laplace

Supongamos un C.M. uniforme y un hilo de corriente por el que circula una intensidad I. La fuerza ejercida sobre el hilo por el C.M. viene dada por la ley de Laplace: Fm = I * l x B

Consecuencia: Si la corriente tiene la dirección del campo, la fuerza magnética es cero. Entonces, el campo no interactúa con el hilo.

Definición de Amperio

Es la intensidad de corriente que, circulando por dos conductores paralelos indefinidos separados por un metro, en el vacío, produce sobre cada conductor una fuerza de 2 * 10^-7 N/m de longitud de conductor.

Ley de Ampère

La circulación del vector C.M. a lo largo de una curva cerrada es proporcional a la intensidad de corriente que encierra. Consecuencia: Como la circulación del vector campo a lo largo de una línea cerrada no es cero, dicha circulación no es independiente del camino; por lo tanto, el C.M. es no conservativo.

Inducción Electromagnética

Es la obtención de una corriente eléctrica en una espira cuando se coloca dentro de un C.M. variable. Consiste en la producción de corrientes inducidas mediante la variación del flujo magnético.

Experiencias de Faraday y Henry

Faraday observó que aparece corriente eléctrica inducida en la espira mientras exista un movimiento relativo imán-espira. Henry logró producir corrientes inducidas moviendo la espira perpendicular a un C.M. uniforme.

Flujo Magnético

El flujo magnético a través de una superficie se define como:

Es una magnitud física escalar, cuya unidad en el S.I. es el Weber (Wb).

Leyes de Faraday y Lenz de la Inducción Magnética

La ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación temporal del flujo magnético.

El signo negativo (-) se debe a que el sentido de las corrientes inducidas se opone a la variación de flujo (Ley de Lenz).

Ley de Lenz

El sentido de las corrientes inducidas es tal que, por sus efectos magnéticos, se opone a la causa que las crea.

El Transformador

Es un aparato que permite modificar el voltaje de la corriente alterna. Consta de un núcleo de hierro dulce y dos arrollamientos independientes de distinto número de espiras.

La potencia transmitida es prácticamente del 100%.

Su uso principal es el transporte de energía eléctrica alterna.

Transporte de la Energía Eléctrica Alterna

Se trata de llevar la energía eléctrica desde los lugares de producción a los de consumo, generalmente distantes, con la menor pérdida de potencia posible.

Analogías y Diferencias entre C.E. y C.M.

Analogías

• Ambos campos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia desde la fuente al punto.
• Las constantes de proporcionalidad dependen del medio.
• Presentan fenómeno inductivo.
• Ambos se pueden apantallar.

Diferencias

• Las constantes de proporcionalidad tienen un valor diferente, lo que lleva a la conclusión de que la fuerza eléctrica es más intensa que la fuerza magnética a igualdad de otros factores.
• El C.E. es conservativo, el C.M. es no conservativo.
• Las líneas de fuerza del C.E. son abiertas, las del C.M. son cerradas. Pueden existir cargas eléctricas aisladas, pero no polos magnéticos aislados.
• Direcciones de campo diferentes: C.E. radial desde la carga; C.M. perpendicular a la velocidad de la carga.
• El C.E. es producido por cargas en general; en cambio, el C.M. lo producen cargas solo si están en movimiento.
• Los dipolos eléctricos se pueden separar, en cambio, los magnéticos no.

Síntesis Electromagnética

Maxwell estableció que una corriente eléctrica crea un C.M. y, a su vez, un C.M. variable crea una corriente eléctrica, logrando describir uniformemente los fenómenos magnéticos, eléctricos y ópticos. Así, un C.E. variable y un C.M. variable se pueden propagar en el espacio sin necesidad de soporte material, formando una onda electromagnética cuya velocidad viene dada por:

Que coincide con la velocidad de la luz en el vacío. Por esto, dedujo que la luz es una onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas consisten en la propagación en el espacio y en el tiempo de un C.E. y un C.M. perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación, sin soporte material alguno.

Teniendo en cuenta que el espectro electromagnético abarca todas las longitudes de onda y frecuencias de las diferentes clases de radiaciones electromagnéticas, la luz visible ocuparía una región muy pequeña de dicho espectro, solamente aquellas radiaciones cuya longitud de onda esté comprendida aproximadamente entre 400 nm y 700 nm.