Monografia Sobre Electricidad y Magnetismo
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AÑO DE LA INVERSION PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA MADRE DE DIOS CAPITAL DE LA BIODIVERSIDAD DEL PERÚ UNIVERSIDAD PRIVADA “TELESUP” TEMA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ESTUDIANTE: TÁVARA ZAPATA, ROBERTO CARLOS (INGº DE SISTEMAS) SEMESTRE 3º 2013 Puerto Maldonado – Madre de Dios
Transcript of Monografia Sobre Electricidad y Magnetismo
AÑO DE LA INVERSION PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIAMADRE DE DIOS CAPITAL DE LA BIODIVERSIDAD DEL PERÚ
UNIVERSIDAD PRIVADA “TELESUP”
TEMA
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
ESTUDIANTE:
TÁVARA ZAPATA, ROBERTO CARLOS (INGº DE SISTEMAS)
SEMESTRE
3º
2013Puerto Maldonado – Madre de Dios
DEDICATORIA
La presente monografía está dedicada a mi esposa, que con sus consejos a motivado a seguir con este reto, a mis pequeños angelitos que están cerca de mi dándome alegría y motivos de superación aunque en oportunidades me parece difícil de concluir, a mi madre que es mi inspiración para continuar mi formación profesional a pesar de los inconvenientes que se presentan día a día.
AGRADECIMIENTO
El agradecimiento sincero y fraterno a los docentes de la Universidad particular TELESUP, de la misma forma a los docentes de la filial Madre de Dios Puerto Maldonado, por motivarnos a descubrir el basto mundo de la información, a mas lectura más sensibilización para mantener un orden, sin alejarnos de los tantos recursos tecnológicos que dia a dia se descubren y los ponen a nuestra disposición para mejorar este magnífico mundo.
Gracias
INDICE
1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................1
2. ELECTRICIDAD............................................................................................................2
2.1. ¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD?...................................................................................2
2.2. ¿DE DÓNDE PROVIENE?............................................................................................2
2.3. ¿CÓMO SE PRODUCE?...............................................................................................2
3. ELECTROESTATICA....................................................................................................3
3.1. DEFINICIÓN.....................................................................................................................3
3.2. CARGA ELECTRICA.....................................................................................................3
3.3. PROPIEDADES...............................................................................................................4
3.4. LEY DE COULOMB........................................................................................................7
3.5. LEY DE GAUSS..............................................................................................................8
4. ELECTRODINAMICA....................................................................................................9
4.1. DEFINICION.....................................................................................................................9
4.2. CORRIENTE ELECTRICA.............................................................................................9
4.3. FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ.............................................................10
4.4. LA RESISTENCIA.........................................................................................................11
4.5. RESISTIVIDAD..............................................................................................................11
4.6. CODIGO DE COLORES PARA RESISTORES........................................................12
4.7. DENSIDAD DE CORRIENTE......................................................................................12
4.8. LEY DE OHM.................................................................................................................13
4.9. LEY DE KIRCHHOFF...................................................................................................14
5. MAGNETISMO............................................................................................................17
5.1. DEFINICION...................................................................................................................17
5.2. CAMPO MAGNETICO..................................................................................................17
5.3. MATERIALES MAGNETICOS....................................................................................19
5.4. HISTÉRESIS MAGNETICA.........................................................................................20
5.5. LEY DE BIOT-SAVART...............................................................................................21
5.6. LEY DE FARADAY.......................................................................................................23
5.7. LEY DE LENZ................................................................................................................26
6. RELACION ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO............................................28
7. CONCLUSION.............................................................................................................31
8. BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................31
8.1. ELECTRONICA.............................................................................................................31
8.2. TEXTOS..........................................................................................................................32
1. INTRODUCCIÓN
La electricidad y el magnetismo son temas que en la vida diaria se emplea, todos
estamos familiarizados con estos términos, pero no sabemos cuán importante es
saber cómo funciona y saber que están estrechamente relacionados. Usamos
electricidad para suministrar energía a las computadoras y para hacer que los
motores funcionen. El magnetismo hace que la brújula apunte hacia el norte, y
hace que nuestras notas queden pegadas al refrigerador. Sin radiación
electromagnética viviríamos en la obscuridad, pues la luz es una de sus muchas
manifestaciones.
La electricidad puede existir como carga estacionaria, conocida como electricidad
estática; también puede estar en movimiento y fluyendo, conocida como corriente
eléctrica. En tiempos relativamente recientes, la humanidad ha aprendido a
almacenar el poder de la electricidad. Este poder, y los muchos tipos de circuitos y
dispositivos eléctricos que el hombre ha inventado, han transformado el mundo de
manera radical. La electricidad también juega un papel importante en el mundo
natural, cuando se generan poderosos rayos que producen señales que se
desplazan a través de nuestros nervios.
El magnetismo es primo hermano de la electricidad. Algunos materiales, tales
como el hierro, son atraídos por imanes, mientras que otros, como el cobre,
ignoran su influencia. Sabemos que los imanes tienen polo norte y polo sur, y que
polos iguales se rechazan entre sí, mientras que polos opuestos se atraen.
Hacemos uso de nuestro conocimiento sobre este tipo de radiación en la
construcción de telescopios para ver los cielos, radios para comunicación, y
máquinas de rayos X para diagnósticos médicos.
La sociedad humana moderna hace uso de la electricidad y el magnetismo de
muchas maneras. Un láser lee la información de un disco compacto, y convierte
los patrones microscópicos en sonidos audibles cuando las señales eléctricas
llegan hasta las bocinas. Los semiconductores de las computadoras canalizan el
flujo de información contenida en pequeñas señales eléctricas, envíando
información sobre electricidad y magnetismo (y muchos otros temas) a través de
Internet hasta su computador.
1
2. ELECTRICIDAD
2.1.¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD?
La electricidad es un fenómeno físico que se manifiesta naturalmente en
los rayos, las descargas eléctricas producidas por el rozamiento
“electricidad estática” en el funcionamiento de los sistemas nerviosos de
los animales, incluidos los seres humanos.[] También se denomina
electricidad a la rama de la ciencia que la estudia, la rama de la tecnología
que la aplica. Desde que en 1831, Faraday descubriera la forma de
producir corrientes eléctricas por inducción, se ha convertido en una de las
formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a
su facilidad de generación, distribución y al gran número de aplicaciones.
El origen de la electricidad son las cargas eléctricas, estáticas o en
movimiento, su interacción. Una carga eléctrica en reposo produce fuerzas
sobre otras cargas. Si la carga eléctrica está en movimiento, produce
también fuerzas magnéticas. Hay sólo dos tipos de cargas eléctricas, las
positivas y las negativas. Las cargas eléctricas elementales son los
protones, los electrones, responsables de la formación de los átomos,
moléculas, pero también hay otras partículas elementales cargadas.
2.2.¿DE DÓNDE PROVIENE?
La electricidad la conforman electrones en movimiento que se observan en
la naturaleza en forma de rayos, en las anguilas y aún en el pequeño arco
eléctrico o golpe que uno recibe al tocar la perilla de una puerta. La mayor
parte de la electricidad usada en la vida diaria se produce en las plantas
de energía haciendo girar un magneto dentro de un rollo de alambre. Esto
pone en movimiento los electrones y crea una corriente eléctrica. Así
ocurre tanto en una antigua planta como en las más modernas de energía
nuclear.
2.3.¿CÓMO SE PRODUCE?
La energía eléctrica es producida cuando las cargas eléctricas se mueven
a través de un conductor, y es distribuida por los cables de alta tensión
que forman la red nacional, permitiendo que las ciudades se puedan
2
iluminar o que millares de máquinas y aparatos eléctricos de un hogar
puedan funcionar.
La electricidad se produce haciendo girar un magneto en un rollo de
alambre. Este es el principio del generador eléctrico. El generador consta
de dos partes básicas: una parte rotante llamada "rotor", que es
esencialmente un magneto masivo; y una parte fija llamada "estertor", que
lo forman carretes de alambre de cobre y van alrededor del rotor. Cuando
el rotor gira (como una jaula de ardilla), el cable de cobre tiene un campo
magnético cambiante que le penetra y se produce la electricidad.
La energía eléctrica puede generarse en las centrales hidroeléctricas, las
cuales aprovechan la energía mecánica del agua almacenada en una
represa y en las termoeléctricas que utilizan la energía calórica liberada en
la combustión del carbón para hacer hervir el agua y convertirla en vapor,
en ambos casos hacen girar una turbina que genera la electricidad.
3. ELECTROESTATICA
3.1.DEFINICIÓN
La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos
que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga
eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo
que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son
despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica
es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos
electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y
repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
3.2.CARGA ELECTRICA
Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se
manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las
interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada
eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su
vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico
3
origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción
electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga
eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar
fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en
cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se
conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas
presente en cierto instante no varía. Qi=Qf
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado
experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los
electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los
protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga
fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la
naturaleza.
3.3.PROPIEDADES
3.3.1. PRINCIPIO DE LA CONSERVACION DE LA CARGA
En concordancia con los resultados experimentales, el principio de
conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación
neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la
carga total de un sistema aislado se conserva.
En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones
no se altera, sólo existe una separación de las cargas eléctricas. Por tanto,
no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total
se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había,
pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca
constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región
del espacio por pequeña que sea.
Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga
eléctrica está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física
cuántica invariancia gauge. Así por el teorema de Noether a cada simetría
del lagrangiano asociada a un grupo uniparamétrico de transformaciones
4
que dejan el lagrangiano invariante le corresponde una magnitud
conservada.[7] La conservación de la carga implica, al igual que la
conservación de la masa, que en cada punto del espacio se satisface una
ecuación de continuidad que relaciona la derivada de la densidad de carga
eléctrica con la divergencia del vector densidad de corriente eléctrica,
dicha ecuación expresa que el cambio neto en la densidad de carga
dentro de un volumen prefijado es igual a la integral de la densidad de
corriente eléctrica sobre la superficie que encierra el volumen, que a su
vez es igual a la intensidad de corriente eléctrica :
Esta propiedad se conoce como cuantización de la carga y el valor
fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que posee el electrón
y al cual se lo representa como e. Cualquier carga q que exista
físicamente, puede escribirse como siendo N un número entero,
positivo o negativo.
Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el
protón +e y para el neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga
de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones toman
valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han
observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del
protón suma +e y en el neutrón suma 0.[]
Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué
la carga es una magnitud cuantizada, que sólo puede aparecer en
múltiplos de la carga elemental, se han propuestos diversas ideas:
Paul Dirac mostró que si existe un monopolo magnético la carga
eléctrica debe estar cuantizada.
En el contexto de la teoría de Kaluza-Klein, Oskar Klein encontró que
si se interpretaba el campo electromagnético como un efecto secundario
de la curvatura de un espacio tiempo de topología , entonces la
compacidad de comportaría que el momento lineal según la quinta 5
dimensión estaría cuantizado y de ahí se seguía la cuantización de la
carga.
La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el
panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las cargas
fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser libres cargas que
son múltiplos enteros de la carga elemental.
3.3.2. INVARIANTE RELATIVISTA
Otra propiedad de la carga eléctrica es que es un invariante relativista.
Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de
movimiento y su velocidad, podrán siempre medir la misma cantidad de
carga. Así, a diferencia del espacio, el tiempo, la energía o el momento
lineal, cuando un cuerpo o partícula se mueve a velocidades comparables
con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variará. El valor de la
carga no varía de acuerdo a cuán rápido se mueva el cuerpo que la
posea.
3.3.3. CUANTIZACION DE LA CARGA
Gracias a los trabajos de Millikan al medir la carga eléctrica del electrón,
se demostró que la carga eléctrica no es continua, o sea, no es posible
que tome valores arbitrarios, sino que los valores que puede adquirir son
múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima.[] Esta propiedad se
conoce como cuantización de la carga, el valor fundamental corresponde
al valor de carga eléctrica que posee el electrón y al cual se lo representa
como e. Cualquier carga q que exista físicamente, puede escribirse como
siendo N un número entero, positivo o negativo.
Por convención se representa a la carga del electrón como -e, para el
protón +e y para el neutrón, 0. La física de partículas postula que la carga
de los quarks, partículas que componen a protones, neutrones, toman
valores fraccionarios de esta carga elemental. Sin embargo, nunca se han
observado quarks libres, el valor de su carga en conjunto, en el caso del
protón suma +e, en el neutrón suma 0.[]
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Aunque no tenemos una explicación suficientemente completa de porqué
la carga es una magnitud cuantizada, que sólo puede aparecer en
múltiplos de la carga elemental.
Según la quinta dimensión estaría cuantizado de ahí se seguía la
cuantización de la carga.
La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el
panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las cargas
fraccionarias no pueden ser libres. Sólo pueden ser libres cargas que son
múltiplos enteros de la carga elemental.
3.4.LEY DE COULOMB
En 1785, Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica
entre dos partículas cargadas estacionarias. Los experimentos muestran
que la fuerza eléctrica tiene las siguientes propiedades:
La fuerza es inversamente proporcional al inverso del cuadrado de la
distancia de separación r entre las dos partículas, medida a lo largo de la
línea recta que las une.
La fuerza es proporcional al producto de las cargas q1 y q2 de las
dos partículas.
La fuerza es atractiva si las cargas son de signos opuestos, y
repulsiva si las cargas son del mismo signo. A partir de estas
observaciones podemos expresar la fuerza eléctrica entre las dos cargas
como:
Ley de Coulomb de las fuerzas electrostáticas:
F= k |q1| |q2|
r²
donde k es una constante conocida como constante de Coulomb. En sus
experimentos, Coulomb, pudo demostrar que el exponente de r era 2, con
sólo un pequeño porcentaje de incertidumbre. Los experimentos
modernos han demostrado que el exponente es 2 con una precisión de
algunas partes en 109.
La constante de coulomb k en el SI de unidades tiene un valor de:
7
La ley de Newton predice la fuerza mutua que existe entre dos masas
separadas por una distancia r; la ley de Coulomb trata con la fuerza
electrostática. Al aplicar estas leyes se encuentra que es útil desarrollar
ciertas propiedades del espacio que rodea a las masas o a las cargas.
Ejemplo 1.2. El átomo de hidrógeno.
El electrón y el protón de un átomo de hidrógeno están separados en
promedio por una distancia aproximada de 3.5X10-11 m. Calcúlese la
magnitud de la fuerza eléctrica y de la fuerza gravitacional entre las dos
partículas.
3.5.LEY DE GAUSS
Ley de Gauss establece que el flujo de ciertos campos a través de una
superficie cerrada es proporcional a la magnitud de las fuentes de dicho
campo que hay en el interior de dicha superficie. Dichos campos son
aquellos cuya intensidad decrece como la distancia a la fuente al
cuadrado. La constante de proporcionalidad depende del sistema de
unidades empleado.
Se aplica al campo electrostático y al gravitatorio. Sus fuentes son la carga
eléctrica y la masa, respectivamente. También puede aplicarse al campo
magnetostático, aunque dicha aplicación no es de tanto interés como las
dos anteriores.
La ley de Gauss establece que el flujo eléctrico neto a través de cualquier
superficie gaussiana cerrada es igual a la carga neta que se encuentra
dentro de ella, dividida por E0.
La selección de Eo como la constante de proporcionalidad ha dado por
resultado que el número total de líneas que cruzan normalmente a través
de una superficie cerrada de Gauss es numéricamente igual a la carga
contenida dentro de la misma.
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4. ELECTRODINAMICA
4.1.DEFINICION
Estudio de las relaciones entre los fenómenos eléctricos, magnéticos y
mecánicos. Incluye el análisis de los campos magnéticos producidos por
las corrientes, las fuerzas electromotrices inducidas por campos
magnéticos variables, la fuerza sobre las corrientes en campos
magnéticos, la propagación de las ondas electromagnéticas y el
comportamiento de partículas cargadas en campos magnéticos y
eléctricos.
La electrodinámica clásica se ocupa de los campos y las partículas
cargadas en la forma original descrita sistemáticamente por James Clerk
Maxwell, en tanto que la electrodinámica cuántica aplica los principios de
la mecánica cuántica a los fenómenos eléctricos y magnéticos. La
electrodinámica relativista trata de la conducta de las partículas cargadas
y de los campos, cuando la velocidad de ellas se aproxima a la de la luz.
4.2.CORRIENTE ELECTRICA
Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la
circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado,
que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de
suministro de fuerza electromotriz (FEM).
Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido
convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la
inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese
planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de
la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que
trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los
físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas.
Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y
principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que
las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza
9
Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de
acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas
iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos
de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que,
convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al
negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario,
como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no
influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.
4.3.FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ
Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de
cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre comente eléctrica.
Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos
puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea
capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito
cerrado
Pilas o Baterías.
Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía
eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de
carbón -zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga.
Las hay también de níquel- cadmio (Ni Cd), de níquel e hidruro metálico
(Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se
utilizan baterías de plomo-ácido, que emplean como electrodos placas de
plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua destilada.
Máquinas electromagnéticas.
Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos, Es
el caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos
automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos diversos, así como
los de gran tamaño empleado en las centrales hidráulicas, térmicas y
atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades.
10
4.4.LA RESISTENCIA
Es la oposición de un material al flujo de electrones. La resistencia R del
conductor está dada por:
R= V
I
De este resultado se ve que la resistencia tiene unidades en el SI de volts
por ampere. Un volt por un ampere se define como un ohm ( ) :
1 = 1 V/A
Es decir, si una diferencia de potencial de 1 volt a través de un conductor
produce una corriente de 1 A, la resistencia del conductor es 1 . Por
ejemplo, si un aparato eléctrico conectado a 120 V lleva corriente de 6 A,
su resistencia es de 20 .
Las bandas de colores en un resistor representan un código que
representa el valor de la resistencia. Los primeros dos colores dan los dos
primeros dígitos del valor de la resistencia el tercer color es el exponente
en potencias de diez de multiplicar el valor de la resistencia. El último
color es la tolerancia del valor de la resistencia. Por ejemplo, si los colores
son naranja, azul, amarillo y oro, el valor de la resistencia es 36X104 o
bien 360K , con una tolerancia de 18K (5%). Figura. 4.2.
4.2. Las bandas de colores en un resistor representan un código que
representa el valor de la resistencia.
4.5.RESISTIVIDAD
La resistividad es la resistencia eléctrica específica de cada material para
oponerse al paso de una corriente eléctrica. Se designa por la letra griega
rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω•m)
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en donde R es la resistencia en ohms, S la sección transversal en m² y l la
longitud en m. Su valor describe el comportamiento de un material frente
al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal
conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es
mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.
Como ejemplo, un material de 1 m de largo por 1 m de ancho por 1 m de
altura que tenga 1 Ω de resistencia tendrá una resistividad (resistencia
específica, coeficiente de resistividad) de 1 Ω•m . Cálculo experimental de
la resistividad de un metal
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura,
mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el
aumento de la temperatura.
4.6.CODIGO DE COLORES PARA RESISTORES
4.7.DENSIDAD DE CORRIENTE
Considérese un conductor con área de sección trasversal A que lleva una
corriente I. La densidad de corriente J en el conductor se define como la
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corriente por unidad de área. Como I = nqvdA, la densidad de corriente
está dada por:
J= I
A
donde J tiene unidades en el SI de A/m2. En general la densidad de
corriente es una cantidad vectorial. Esto es,
J= nqvd
Con base en la definición, se ve también que la densidad de corriente está
en la dirección del movimiento de las cargas para los portadores de cargas
positivos y en dirección opuesta a la del movimiento de los portadores de
carga negativos.
Una densidad de corriente J y un campo eléctrico E se establecen en un
conductor cuando una diferencia de potencial se mantiene a través del
conductor. Si la diferencia de potencial es constante, la corriente en el
conductor será también constante.
Con mucha frecuencia, la densidad de corriente en un conductor es
proporcional al campo eléctrico en el conductor. Es decir,
J=Ôe
4.8.LEY DE OHM
La ley de Ohm afirma que para muchos materiales (incluyendo la mayor
parte de los metales), la razón de la densidad de corriente al campo
eléctrico es una constante, ô, la cuales independiente del campo eléctrico
que produce la corriente.
Materiales que obedecen la ley de Ohm, y por tanto demuestran este
comportamiento lineal entre E y J, se dice que son ohmicos. El
comportamiento eléctrico de los muchos
materiales es casi lineal con muy pequeños cambios en la corriente.
Experimentalmente se encuentra que no todos los materiales tienen esta
propiedad. Materiales que no obedecen la ley de Ohm se dicen ser no
ohmicos. La ley de Ohm no es una ley fundamental de la naturaleza, sino
una relación empírica válida sólo para ciertos materiales.
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Una forma de la ley de Ohm que se utiliza de modo más directo en las
aplicaciones prácticas puede ser obtenida al considerar un segmento de
un alambre recto de área en la sección trasversal A y longitud l. Una
diferencia de potencial Va - Vb mantenida a través del alambre, crea un
campo eléctrico en el alambre y una corriente. Si se supone que el campo
eléctrico en el alambre es uniforme, la diferencia de potencial V = Va - Vb
se relaciona con el campo eléctrico a través de la relación:
V = El
El inverso de la conductividad de un material se le llama resistividad p.
p= 1
ô
Fórmula para la resistencia R de un conductor
Fórmula para la aplicación de la Ley de Ohm.
I= V
R
4.9.LEY DE KIRCHHOFF
Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la
conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron
descritas por primera vez en 1845 por Gustav Kirchhoff. Son ampliamente
usadas en ingeniería eléctrica.
Ambas leyes de circuitos pueden derivarse directamente de las
ecuaciones de Maxwell, pero Kirchhoff precedió a Maxwell y gracias a
Georg Ohm su trabajo fue generalizado. Estas leyes son muy utilizadas en
ingeniería eléctrica para hallar corrientes y tensiones en cualquier punto
de un circuito eléctrico.
4.9.1. PRIMERA LEY
La primera ley de Kirchhoff describe con precisión la situación del
circuito: La suma de las tensiones en un bucle de corriente cerrado es 14
cero. Las resistencias son sumideros de potencia, mientras que la
batería es una fuente de potencia, por lo que la convención de signos
descrita anteriormente hace que las caídas de potencial a través de
las resistencias sean de signo opuesto a la tensión de la batería. La
suma de todas las tensiones da cero. En el caso sencillo de una única
fuente de tensión, una sencilla operación algebraica indica que la
suma de las caídas de tensión individuales debe ser igual a la tensión
aplicada.
E= El + E2 + E3
E= 37,9 + 151,5 + 60,6
E= 250 V
En problemas como éste, cuando la corriente es suficientemente
pequeña para ser expresada en miliamperios, se puede ahorrar
cantidad de tiempo y problemas expresando la resistencia en kilohms
mejor que en ohms. Cuando se sustituye directamente la resistencia
en kilohms en la ley de Ohm, la corriente será en miliamperios si la
FEM está en voltios.
4.9.2. SEGUNDA LEY
La ley de los voltajes o segunda ley de Kirchhoff expresa que la suma
algebraica de las diferencias de potencial existentes alrededor de
cualquier trayectoria cerrada en un circuito eléctrico es igual a cero, o
sea, la suma algebraica de las fem en cada trayectoria cerrada es
igual a la suma algebraica de la caídas de potencial I R en la propia
trayectoria y en cada instante de tiempo, lo cual puede expresarse
como:
Σ E = Σ IR (3)
En la figura 1.1 se muestra un circuito eléctrico que posee tres
trayectorias cerradas independientes. Una de ellas, la de la izquierda,
se encuentra marcada con el número 1.
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Con el fin de ilustrar la aplicación de las leyes de Kirchhoff enunciadas
anteriormente, se hacen los siguientes señalamientos:
Para la aplicación de la primera ley, puede plantearse en el nodo a:
I= I1 +I2 (4)
Como norma, pueden ser consideradas las corrientes entrantes al
nodo como positivas y las salientes como negativas. Generalmente al
comenzar a resolver un problema, se desconoce el sentido real de las
corrientes en el circuito por lo que deben suponerse sentidos
arbitrarios para las mismas. Esto exige una correcta interpretación de
los resultados que se obtengan. Si al encontar el valor numérico de
una corriente, a la cual de antemano se le ha supuesto un sentido
arbitrario de circulación, se obtiene un valor positivo; sabremos que el
sentido escogido fue el correcto. Si el valor obtenido fuera negativo,
entonces la corriente en realidad circula en sentido contrario al
escogido inicialmente.
Es conveniente señalar que al aplicar la segunda ley de Kirchhoff al
circuito de la propia figura 1.1 debe considerarse un solo valor de
voltaje entre cualquiera de los puntos del mismo, dígase m y n,
independientemente de la trayectoria escogida, o sea:
V (mabn)= V (mafgbn)= V (mafgn) (5)
Además, en la trayectoria cerrada marcada con el número 1 en el
mencionado circuito tiene que cumplirse la condición:
E= I1 R1 + I4 R4 (6)
La segunda ley de Kichhoff se cumple como consecuencia del
Principio de conservación de la energía.
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Para plantear correctamente las ecuaciones correspondientes a la
segunda ley de Kirchhoff en una o más trayectorias cerradas de un
circuito dado, es necesario tener en cuenta que al recorrer cualquiera
de las componentes desde un punto con potencial positivo a otro con
potencial negativo, se obtiene una caída de potencial o voltaje y en
caso contrario una subida.
Debe tenerse en cuenta que en el caso de las baterías (Ver figura 1.2
b), estas mantienen su polaridad independientemente del sentido de
circulación de la corriente I. Existe una subida de potencial recorriendo
dicha batería desde a hacia b y una caída al recorrerla de b hacia a.
5. MAGNETISMO
5.1.DEFINICION
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen
fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos
materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas
detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que
comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son
influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo
magnético.
El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física,
particularmente como uno de los dos componentes de la radiación
electromagnética, como por ejemplo, la luz.
5.2.CAMPO MAGNETICO
El campo eléctrico E en un punto del espacio se ha definido como la
fuerza por unidad de carga que actúa sobre una carga de prueba colocada
en ese punto. Similarmente, el campo gravitacional g en un punto dado
del espacio es la fuerza de gravedad por unidad de masa que actúa sobre
una masa de prueba.
Ahora se definirá el vector de campo magnético B (algunas veces llamado
inducción magnética o densidad de flujo magnético) en un punto dado del
espacio en términos de la magnitud de la fuerza que sería ejercida sobre
17
un objeto de velocidad v . Por el momento, supongamos que no están
presentes el campo eléctrico ni el gravitacional en la región de la carga.
Los experimentos realizados sobre el movimiento de diversas partículas
cargadas que se desplazan en un campo magnético han proporcionado
los siguientes resultados:
1. La fuerza magnética es proporcional a la carga q y a la velocidad v de
la partícula.
2. La magnitud y la dirección de la fuerza magnética dependen de la
velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo
magnético.
3. Cuando una partícula se mueve en dirección paralela al vector campo
magnético, la fuerza magnética F sobre la carga es cero.
4. Cuando la velocidad hace un ángulo con el campo magnético, la
fuerza magnética actúa en una dirección perpendicular tanto a v como a
B; es decir, F es perpendicular al plano formado por v y B. (Fig. 5.1a)
5. La fuerza magnética sobre una carga positiva tiene sentido opuesto a la
fuerza que actúa sobre una carga negativa que se mueva en la misma
dirección. (Fig. 5.1b)
6. Si el vector velocidad hace un ángulo con el campo magnético, la
magnitud de la fuerza magnética es proporcional al sen .
Estas observaciones se pueden resumir escribiendo la fuerza magnética
en la forma:
F = qv X B
donde la dirección de la fuerza magnética está en la dirección de v X B, la
cual por definición del producto vectorial, es perpendicular tanto a v como
a B.
La fuerza magnética es siempre perpendicular al desplazamiento. Es
decir,
F * ds = (F * v)dt = 0
18
Ya que la fuerza magnética es un vector perpendicular a v. De esta
propiedad y del teorema de trabajo y energía, se concluye que la energía
cinética de la partícula cargada no puede ser alterada sólo por el campo
magnético. en otras palabras
"Cuando una carga se mueve con una velocidad v, el campo magnético
aplicado sólo puede alterar la dirección del vector velocidad, pero no
puede cambiar la rapidez de la partícula".
5.3.MATERIALES MAGNETICOS
El comportamiento de los materiales en presencia de un campo
magnético sólo puede explicarse a partir de la mecánica cuántica, ya que
se basa en una propiedad del electrón conocida como espín. Se clasifican
fundamentalmente en los siguientes grupos:
o Ferromagnéticos: constituyen los imanes por excelencia, son
materiales que pueden ser magnetizados permanentemente por la
aplicación de campo magnético externo. Por encima de una cierta
temperatura (temperatura de Curie) se convierten en
paramagnéticos. Como ejemplos más importantes podemos citar el
hierro, el níquel, el cobalto y aleaciones de éstos.
o Paramagnéticos: cada átomo que los constituye actúa como
un pequeño imán pero se encuentran orientados al azar de modo
que el efecto magnético se cancela. Cuando se someten a la
aplicación de un B adquieren una imanación paralela a él que
desaparece al ser retirado el campo externo. Dentro de esta
categoría se encuentran el aluminio, el magnesio, titanio, el wolframio
o el aire.
o Diamagnéticos: en estos materiales la disposición de los
electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global
de los efectos magnéticos. Bajo la acción de un campo magnético
externo la sustancia adquiere una imanación débil y en el sentido
opuesto al campo aplicado. Son diamagnéticos por ejemplo el
bismuto, la plata, el plomo o el agua.
19
5.4.HISTÉRESIS MAGNETICA
En física se encuentra, por ejemplo, histéresis magnética si al magnetizar
un ferromagneto éste mantiene la señal magnética tras retirar el campo
magnético que la ha inducido. También se puede encontrar el fenómeno
en otros comportamientos electromagnéticos, o los elásticos.
La histéresis magnética, es el fenómeno que permite el almacenamiento
de información en los imanes de los discos duros o flexibles de los
ordenadores: el campo induce una magnetización en el pequeño imán,
que se codifica como un 0 o un 1. Esta codificación permanece en
ausencia de campo, y puede ser leída posteriormente, pero también
puede ser invertida aplicando un campo en sentido contrario.
Para poder conocer el ciclo de histéresis de un material, se puede utilizar
el magnetómetro de Köpsel, que se encarga de proporcionarle al material
ferromagnético los cambios senoidales de la corriente eléctrica para
modificar el sentido de los imanes.
En electrotecnia se define la histéresis magnética como el retraso de la
inducción respecto al campo que lo crea.
Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los
imanes (ó dipolos) elementales giran para orientarse según el sentido del
campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales
recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla
debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor
grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un
magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción
respecto de la intensidad de campo.
Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se
manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de
reducir al máximo estas pérdidas, los núcleos se construyen de materiales
magnéticos de características especiales, como por ejemplo acero al
silicio.
20
La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de
histéresis.
5.5.LEY DE BIOT-SAVART
Poco tiempo después del descubrimiento de Oersted en 1819, donde la
aguja de la brújula se desviaba a causa de la presencia de un conductor
portador de corriente, Jean Baptiste Biot y Felix Savart informaron que un
conductor de corriente estable produce fuerzas sobre un imán. De sus
resultados experimentales, Biot y Savart fueron capaces de llegar a una
expresión de la que se obtiene el campo magnético en un punto dado del
espacio en términos de la corriente que produce el campo.
Fig. 5.3. El campo magnético dB en el punto P debido a un elemento de
corriente ds está dado por la ley de Biot-Savart.
La ley de Biot-Savart establece que si un alambre conduce una corriente
constante I, el campo magnético dB en un punto P debido a un elemento
ds (Figura. 5.3.) tiene las siguientes propiedades:
1. El vector dB es perpendicular tanto a ds (el cual tiene la dirección de la
corriente) como al vector unitario ê dirigido desde el elemento hasta el
punto P.
2. La magnitud dB es inversamente proporcional a r², donde r es la
distancia desde el elemento hasta el punto p.
3. La magnitud de dB es proporcional a la corriente y la longitud ds del
elemento.
4. La magnitud de dB es proporcional a sen , donde es el ángulo entre
el vector ds y ê. 21
La ley de Biot-Savart puede ser resumida en la siguiente fórmula:
Donde Km es una constante que en SI de unidades es exactamente 10¯7
Wb/A*m. La constante Km es por lo general escrita como µ0/4 , donde
µ0 es otra constante, llamada permeabilidad del espacio libre. Es decir,
µ0 = 4 Km = 4 X 10¯7 Wb/A*m
Por lo que la ley de Biot-Savart, también puede escribirse como:
Es importante hacer notar que la ley de Biot-Savart proporciona el campo
magnético en un punto dado para un pequeño elemento del conductor.
Para encontrar el campo magnético total B en algún punto debido a un
conductor para tamaño finito, se deben sumar las contribuciones de todos
los elementos de corriente que constituyen el conductor. Esto es, se debe
evaluarse B por la integración de la ecuación anterior:
donde la integral se evalúa sobre todo el conductor, Esta expresión debe
ser manejada con especial cuidado desde el momento que el integrando
es una cantidad vectorial.
Se presentan rasgos similares entre la ley de Biot-Savart del magnetismo
y la ley de Coulomb de la electrostática. Es decir, el elemento de corriente
I ds produce un campo magnético, mientras que una carga puntual q
produce un campo eléctrico. Además, la magnitud del campo magnético
es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde el
elemento de la corriente, como lo hace el campo eléctrico debido a una
carga puntual.
Sin embargo, las direcciones de los dos campos son muy diferentes. El
campo eléctrico debido a una carga puntual es radial. En el caso de una
22
carga puntual positiva, E está dirigido desde la carga hacia el punto del
campo. Por otro lado, el campo magnético debido a un elemento de
corriente es perpendicular tanto al elemento de corriente como al vector.
Por lo que, si el conductor se encuentra en el plano del papel, como en la
figura 5.3, dB está dirigido hacia afuera del papel en el punto P y hacia
adentro del papel en el punto P.
5.6.LEY DE FARADAY
Se principiará describiendo dos experimentos sencillos que demuestran
que una corriente puede ser producida por un campo magnético
cambiante. Primero, considérese una espira de alambre conectada a un
galvanómetro. Si un imán se mueve hacia la espira, la aguja del
galvanómetro se desviará en una dirección, si el imán se mueve
alejándose de la espira, la aguja del galvanómetro se desviará en
dirección opuesta.
Si el imán se mantiene estacionario en relación a la espira, no se
observará desviación. Finalmente, si el imán permanece estacionario y la
espira se mueve acercándola y alejándola del imán, la aguja del
galvanómetro también sé deflectará. A partir de estas observaciones, se
puede concluir que siempre que exista un movimiento relativo entre el
imán y el circuito de la espira se generará una corriente en el circuito.
Estos resultados son muy importantes en vista del hecho de que se crea
una corriente en el circuito ¡ aun cuando exista batería en el circuito !. Esta
corriente se denominó corriente inducida, la cual se produce por una fem
inducida.
Ahora se describirá un experimento, realizado por primera vez por
Faraday, el cual se representa en la figura 5.9. Parte del aparato consta
de una bobina conectada a una batería y a un interruptor.
Se hará referencia a esta bobina como la bobina primaria y a su
correspondiente circuito como circuito primario. La bobina se devana
alrededor de un anillo (núcleo) de hierro para intensificar el campo
producido por la corriente a través de la bobina. Una segunda bobina a al
23
derecha, también se devana alrededor del anillo de hierro y se conecta a
un galvanómetro. Se hará referencia a está como bobina secundaria y a
su correspondiente circuito como circuito secundario.
No existe batería en el circuito secundario y la bobina secundaria no está
conectada con la bobina primaria. El único propósito de este circuito es
detectar cualquier corriente que pueda ser producida por un cambio en el
campo magnético.
Fig. 5.9. Experimento de Faraday. Cuando el interruptor en el circuito
primario, a la izquierda, se cierra, el galvanómetro en el circuito secundario
se desvía momentáneamente.
La primera impresión que se puede tener es que no debería de detectar
ninguna corriente en el circuito secundario. Sin embargo, algo sucede
cuando de repente se abre y se cierra el interruptor.
En el instante que se cierra el interruptor en el circuito primario, el
galvanómetro en el circuito secundario se desvía en una dirección y luego
regresa a cero. Cuando se abre el interruptor, el galvanómetro se desvía
en la dirección opuesta y de nuevo regresa a cero. Finalmente, el
galvanómetro da una lectura de cero cuando la corriente es estable en el
circuito primario.
Como resultado de estas observaciones, Faraday concluyó que una
corriente eléctrica puede ser producida por cambios en el campo
magnético. Una corriente no puede ser producida por un campo
magnético estable. La corriente que se produce en el circuito secundario
ocurre sólo en el instante en que el campo magnético a través de la
bobina secundaria está cambiando. En efecto, el circuito secundario se
24
comporta como si existiera una fem conectada en un corto instante. Esto
se puede enunciar diciendo que:
“Una fem inducida es producida en el circuito secundario por los cambios
en el campo magnético ".
Estos dos experimentos tienen algo en común. En ambos casos, una fem
es inducida en un circuito cuando el flujo magnético a través del circuito
cambia con el tiempo. En efecto, un enunciado que puede resumir tales
expresiones que implican corrientes y fem inducidas es el siguiente:
"La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la
rapidez de cambio del flujo magnético a través del circuito".
Este enunciado, conocido como Ley de inducción de Faraday, puede
escribirse como:
Donde m es el flujo magnético que abarca el circuito, el cual puede ser
expresado como:
La integral dada por la ecuación anterior debe tomarse sobre el área
limitada por el circuito. Si el circuito consta de una bobina de N espiras,
todas de la misma área, y si el flujo pasa a través de todas las espiras, la
fem inducida está dada por:
Supóngase que el flujo magnético es uniforme en un circuito de área A
que está en un plano como el de la figura 5.10. En este caso, el flujo a
través del circuito es igual a BA cos , entonces la fem inducida puede
expresarse como:
25
De esta expresión, se ve que la fem puede ser inducida en el circuito de
varias formas:
1). Variando la magnitud de B con respecto al tiempo, 2). Variando el área
del circuito con respecto al tiempo, 3). Cambiando el ángulo entre B y la
normal al plano con respecto al tiempo y, 4). O bien cualquier combinación
de éstas.
Fig. 5.10. Espira conductora de área A en presencia de un campo
magnético uniforme B, el cual hace un ángulo con la normal a la espira.
Ejemplo 5.5. Aplicación de la ley de Faraday.
Una bobina consta de 200 vueltas de alambre enrolladas sobre el
perímetro de una estructura cuadrada cuyo lado es de 18cm. Cada vuelta
tiene la misma área, igual a la de la estructura y la resistencia total de la
bobina es de 2 . Se aplica un campo magnético uniforme y
perpendicular al plano de la bobina. Si el campo cambia linealmente
desde 0 hasta 0.5Wb/m² en un tiempo de 8s, encuéntrese la magnitud de
la fem inducida en la bobina mientras el campo está cambiando.
5.7.LEY DE LENZ
La dirección de la fem inducida y la corriente inducida pueden ser
determinadas de la ley de Lenz, la cual puede ser establecida como sigue:
"La polaridad de la fem inducida es tal que está tiende a producir una
corriente que crea un flujo magnético que se opone al cambio en el
flujo magnético a través del circuito".
26
Es decir, la corriente inducida tiende a mantener el flujo original a través
del circuito. La interpretación de este enunciado depende de las
circunstancias.
Como se verá, esta ley es una consecuencia de la ley de conservación de
la energía.
Para comprender mejor la ley de Lenz considérese el ejemplo de la barra
que se mueve hacia la derecha sobre dos rieles paralelos en presencia de
un campo magnético dirigido perpendicularmente hacia dentro del papel
(Fig. 5.11.a).
Cuando la barra se mueve hacia la derecha, el flujo magnético a través del
circuito aumenta con el tiempo ya que el área de la espira aumenta. La
ley de Lenz dice que la corriente inducida debe ser en la dirección tal que
el flujo que produzca se oponga al cambio en el flujo magnético externo.
Como el flujo debido al campo externo aumenta hacia dentro del papel, la
corriente inducida, si ésta se debe oponer al cambio, debe producir un
flujo hacia afuera del papel. Por lo tanto, la corriente inducida debe de
circular en dirección contraria a las manecillas del reloj cuando la barra se
mueva hacia la derecha para dar un flujo hacia afuera del papel en la
región interna del circuito (Utilícese la regla de la mano derecha para
verificar esta dirección). Por otro lado, si la barrera se mueve hacia la
izquierda como en la figura 5.11b., el flujo magnético a través del circuito
disminuye con el tiempo.
Como el flujo está hacia dentro del papel, la corriente inducida tiene que
circular en dirección de las manecillas del reloj para producir un flujo hacia
dentro del papel en el interior del circuito. En ambos caso, la corriente
inducida tiende a mantener el flujo original a través del circuito.
27
Fig. 5.11. a). Cuando una barra conductora se desliza sobre dos rieles
conductores, el flujo a través de la espira aumenta con el tiempo. Por la
ley de Lenz, la corriente inducida debe estar en dirección contraria a la de
las manecillas del reloj, así que produce un flujo en dirección contraria
saliendo del papel. b). Cuando la barra se mueve hacia la izquierda, la
corriente inducida debe ser en la dirección de las manecillas del reloj.
Se verá esta situación desde el punto de vista de consideraciones
energéticas. Supóngase que a la barra se le da un ligero empujón hacia la
derecha. En el análisis anterior se encontró que este movimiento genera
en el circuito una corriente que circula en dirección contraria a las
manecillas del reloj. Ahora véase qué sucede si se supone que la
corriente circula en dirección de las manecillas del reloj, Para una
corriente I, que circula en la dirección de las manecillas del reloj.
6. RELACION ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
La corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor,
como un cable. El magnetismo, en cambio, no es una corriente eléctrica por
un conductor, sino una energía radiante que forma un campo o influencia
alrededor de un imán o de un conductor eléctrico.
Puede existir magnetismo sin corriente eléctrica cinculando por un conductor
( en el caso de una imán); pero no puede existir corriente eléctrica sin
magnetismo, ya que aquella siempre induce un campo magnético a su
alrededor.
Y también, un campo magnético que pase a través de un cable o alambre,
inducirá o generará una corriente eléctrica sobre dicho conductor
28
Las personas que en diferentes épocas investigaron y estudiaron las
propiedades de la electricidad no concibieron que hubiera alguna relación
entre este tema y el magnetismo. Hasta fines del siglo XVIII estos dos campos
fueron completamente ajenos.
Sin embargo, desde principios del mencionado siglo se inició la búsqueda de
una posible relación entre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, como
Franklin sabía que cuando caía una tormenta había efectos eléctricos en la
atmósfera, trató infructuosamente de magnetizar una aguja de hierro en una
tormenta. Por otro lado, en el año de 1774 la Academia Electoral de Baviera,
en Alemania, ofreció un premio para la persona que resolviera la siguiente
cuestión: ¿Hay una analogía real y física entre las fuerzas eléctricas y
magnéticas? En vano se trató de encontrar una respuesta afirmativa. Incluso
Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas por un lado y
entre polos de imanes, por el otro, en la década de 1780 afirmó que estas
fuerzas eran de naturalezas físicas distintas, a pesar de que sus magnitudes
dependían de la distancia de la misma forma (véanse los capítulos II y III).
Fue un profesor danés quien en 1820 obtuvo por primera vez una respuesta
afirmativa a la cuestión propuesta.
Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosofía natural en la
Universidad de Copenhague, inició en 1807 sus investigaciones sobre los
efectos de la electricidad en la aguja magnética de una brújula. En ese año, y
posteriormente en 1812 publicó varios ensayos en los que argüía, apoyado en
consideraciones filosóficas, que la electricidad y el magnetismo deberían estar
relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de
todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no presentó ningún resultado
experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de
esta falla en su argumentación y trató de verificarla realizando una serie de
experimentos con corrientes eléctricas. Durante muchos años Oersted no
obtuvo ningún resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de
corriente de que disponía eran pilas voltaicas de muy baja intensidad.
Después de muchos años, en 1820, durante una clase en que estaba
29
presentando a sus alumnos ciertos experimentos eléctricos, encontró que una
corriente eléctrica sí tiene un efecto sobre un imán. La experiencia de Oersted
fue la siguiente.
Colocó un alambre por el que circulaba corriente eléctrica encima de una
brújula y observó que la aguja se desviaba hacia el oeste.
En seguida colocó este alambre debajo de la brújula y vio que la aguja
también se desviaba, pero ahora, hacia el este.
Oersted entonces concluyó que para que la aguja imantada de la brújula se
pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magnética, y que la corriente
eléctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente eléctrica
produce un efecto magnético. Ahora bien, este efecto magnético de la
corriente eléctrica no puede quedar confinado dentro del alambre conductor,
sino que tiene que estar esparcido en todo el espacio a su alrededor, para
que llegue, por así decirlo, hasta donde está la aguja. Esta fue la primera vez
que alguien mencionó la idea de que el efecto magnético debe estar disperso
en todo el espacio, y como veremos más adelante constituye la idea básica
del campo magnético.
Oersted publicó estos resultados en un pequeño folleto de seis páginas en
latín, como se acostumbraba en ese entonces, que envió a las diferentes
sociedades científicas europeas. Este trabajo causó inmediatamente
sensación, dio lugar a muchas interrogantes y estimuló una ráfaga de
investigaciones, principalmente en Francia.
Los experimentos de Oersted se repitieron en muchos lugares, en particular
en el Congreso de Investigadores Suizos que se llevó a cabo en Ginebra,
Suiza, en el verano de 1820, al que asistió el científico francés François Arago
(1786-1853).
A su regreso a París, Arago reportó a la Academia de Ciencias lo que
presenció en Ginebra. Sus miembros oyeron estos resultados pero se
mostraron muy escépticos, y sólo se convencieron hasta que presenciaron
una demostración directa el 11 de septiembre. Una persona que estuvo
30
presente en esa sesión fue André-Marie Ampère (1775-1836), amigo de
Arago, profesor suplente en la Sorbona y gran matemático.
Ampère empezó a investigar el efecto en su casa. Para empezar se dio cuenta
de que Oersted no había entendido correctamente el fenómeno, ya que no
había tomado en cuenta el efecto del magnetismo terrestre. Ampère diseñó
entonces un experimento en el que éste fuera neutralizado. Así encontró el
verdadero efecto que tenía la corriente eléctrica sobre la aguja imantada: ésta
siempre se alinea en una dirección perpendicular a la dirección de la corriente
eléctrica.
7. CONCLUSION
Al iniciar este trabajo monográfico tenía una idea muy superficial sobre la
electricidad y magnetismo, pero al culminarlo, mis conocimientos en este tema
se han ampliado y han despertado el interés por este tema. La electroestática
estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas
estáticas, Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando
dicho objeto se pone en contacto con otro. la electrodinámica es un sistemas
donde interactúan campos eléctricos y magnéticos con cargas en movimiento.
Todo esto facilita nuestra vida en este planeta y nosotros como parte activa
debemos saber utilizarlo y buscar la forma de mantener el equilibrio.
8. BIBLIOGRAFIA
8.1.ELECTRONICA
http://www.jfinternational.com/mf/electricidad-magnetismo.html
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/
A_Franco/elecmagnet/elecmagnet.htm
http://www.natureduca.com/fis_elec_magnet01.php
www.santillana.cl/EduMedia/fisica4.pdf
http://www.natureduca.com/fis_elec_magnet07.php
http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el
%C3%A9ctrica#Propiedades_de_las_cargas
http://www.ecured.cu/index.php/Electrodin%C3%A1mica
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_fem/ke_fem_1.htm31
http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/5473259/Fisica_-
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8.2.TEXTOS
Física, Serway, Mc Graw-Hill, Tercera Edición, Tomo II.
Física, Conceptos y aplicaciones, Tippens, Mc Graw-Hill, Tercera
Edición.
Física con aplicaciones, Wilson , Mc Graw-Hill, Segunda Edición.
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