Fenómenos electromagnéticos

Transcripción

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, 009). 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 10 9 N sobre otra carga igual. Además se sabe que 1 Coulomb =6.4 x electrones. Despejando puedes obtener que la carga del electrón es de x C Ley de Coulomb Para determinar la fuerza que existe entre dos cuerpos cargados se utiliza la Ley de Coulomb que dice: 1

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: q q F = k r 1 Donde k es la constante de proporcionalidad que vale 9x10 9 Nm /C 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: q q 1 = = r = 0.5m k = 9 10 F =? Nm C C / C Sustituyendo valores en la formula tienes: q1q F = k r 6 9 ( C)( F = ( 9 10 Nm / C ) 1 (5 10 m) F = 180N El signo menos del resultado indica que entre las dos cargas eléctricas hay una fuerza de atracción. 6 C)

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: Q I = t Y su unidad de medida en el sistema internacional es el Ampere. 3

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: I =? Q = 86C t = 1h = 3600s Sustituyes los valores en la expresión: I = Q t = 86C 3600s I = 0.038A Ley de Ohm En 187 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. Figura. Gerog Ohm (Wikimedia Commons, s.f.). 4

5 Esta ley se expresa matemáticamente mediante la ecuación: V I = R 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: Sustituyes en la expresión de la Ley de Ohm I =? V = 9V R = 30Ω V I = R 9V I = 30Ω I = 0.3A Es decir, la corriente que circula en el circuito es de 0.3 Amperes. 5

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: ) P = RI 3) V P = R 6

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: P =? I = 0.50 A V = 110V Aplicas la expresión 1) P = (110V )(0.50 A) P = VI P = 55W 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). 7

8 Campo magnético 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 180, 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. 8

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: El generador eléctrico Dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, está construido con base en electroimanes. Figura 6. Model de un generator electric al lui Nikola Tesla (Wikimedia Commons, 01). 9

10 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). Meccano motor in the workshop (Chatfield, 010). 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. Figura 8. Transformer (OiMax, 006). 10

11 Referencias de las imágenes Chatfield, L. (010). Meccano motor in the workshop. Recuperada de (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución.0 Genérica, de acuerdo a: Kargol, M. (009). Storm #3. Recuperada de (Imagen publicada bajo licencia Creative Commns Atribución.0 Genérica, de acuerdo a: OiMax. (006). Transformer. Recuperada de (Imagen publicada bajo licencia Creative Commns Atribución.0 Genérica, de acuerdo a: Wikimedia Commons, (01). Model de un generator electric al lui Nikola Tesla. Recuperada de Nikola_Tesla.jpg (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain, de acuerdo a: Wikimedia Commons. (s.f.). Gerog Ohm. Recuperada de (Imagen de dominio público, de acuerdo a: Bibilografía Hewitt, P. (007). Física Conceptual (10ª. ed.; V. A. Flores, Trad.). México: Pearson Educación. Tippens, P. (007). Física, conceptos y aplicaciones (7ª. ed.; A. C. González y Universidad Nacional Autónoma de México, Trads.). México: Mc Graw Hill. 11