El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Al principio, la electricidad y el magnetismo se estudiaban por separado y se consideraban fenómenos separados. Hans Christian Ørsted descubrió que ambos estaban relacionados: las corrientes eléctricas dan origen al magnetismo. Michael Faraday descubrió lo contrario, que el magnetismo podía inducir corrientes eléctricas, y James Clerk Maxwell reunió todo en una teoría unificada del electromagnetismo . Las ecuaciones de Maxwell indicaron además que existían ondas electromagnéticas , y los experimentos de Heinrich Hertz lo confirmaron, haciendo posible la radio . Maxwell también postuló, correctamente, que la luz era una forma de onda electromagnética, por lo que toda la óptica era una rama del electromagnetismo. Las ondas de radio se diferencian de la luz sólo en que la longitud de onda de las primeras es mucho más larga que la de la segunda. Albert Einstein demostró que el campo magnético surge mediante el movimiento relativista del campo eléctrico y, por tanto, el magnetismo es simplemente un efecto secundario de la electricidad. El tratamiento teórico moderno del electromagnetismo es como un campo cuántico en electrodinámica cuántica .
En muchas situaciones de interés para la ingeniería eléctrica , no es necesario aplicar la teoría cuántica para obtener resultados correctos. La física clásica sigue siendo una aproximación precisa en la mayoría de situaciones que involucran objetos macroscópicos . Con pocas excepciones, la teoría cuántica sólo es necesaria a escala atómica y se puede aplicar un tratamiento clásico más simple. En situaciones limitadas es posible simplificar aún más el tratamiento. La electrostática se ocupa únicamente de cargas eléctricas estacionarias, por lo que no surgen campos magnéticos y no se consideran. Los imanes permanentes se pueden describir sin hacer referencia a la electricidad o el electromagnetismo. La teoría de circuitos se ocupa de redes eléctricas donde los campos están confinados en gran medida alrededor de conductores portadores de corriente . En tales circuitos, incluso se puede prescindir de las ecuaciones de Maxwell y utilizar formulaciones más simples. Por otra parte, en química es importante un tratamiento cuántico del electromagnetismo . Las reacciones químicas y los enlaces químicos son el resultado de interacciones mecánicas cuánticas de electrones alrededor de átomos . También son necesarias consideraciones cuánticas para explicar el comportamiento de muchos dispositivos electrónicos, por ejemplo el diodo túnel .
El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravedad , la fuerza fuerte y la fuerza débil . Mientras que la gravedad actúa sobre todas las cosas que tienen masa , el electromagnetismo actúa sobre todas las cosas que tienen carga eléctrica . Además, así como existe la conservación de la masa según la cual la masa no se puede crear ni destruir, también existe la conservación de la carga , lo que significa que la carga en un sistema cerrado (donde no entran ni salen cargas) debe permanecer constante. [1] La ley fundamental que describe la fuerza gravitacional sobre un objeto masivo en la física clásica es la ley de gravedad de Newton . De manera análoga, la ley de Coulomb es la ley fundamental que describe la fuerza que los objetos cargados ejercen entre sí. Está dada por la fórmula
donde F es la fuerza, k e es la constante de Coulomb , q 1 y q 2 son las magnitudes de las dos cargas y r 2 es el cuadrado de la distancia entre ellas. Describe el hecho de que cargas iguales se repelen entre sí mientras que las cargas opuestas se atraen y que cuanto más fuertes son las cargas de las partículas, más fuerte es la fuerza que ejercen unas sobre otras. La ley también es una ley del cuadrado inverso , lo que significa que cuando se duplica la distancia entre dos partículas, la fuerza sobre ellas se reduce en un factor de cuatro. [2]
En física, los campos son entidades que interactúan con la materia y pueden describirse matemáticamente asignando un valor a cada punto en el espacio y el tiempo. Los campos vectoriales son campos a los que se les asigna tanto un valor numérico como una dirección en cada punto en el espacio y el tiempo. Las cargas eléctricas producen un campo vectorial llamado campo eléctrico . El valor numérico del campo eléctrico, también llamado intensidad del campo eléctrico, determina la fuerza de la fuerza eléctrica que una partícula cargada sentirá en el campo y la dirección del campo determina en qué dirección estará la fuerza. Por convención, el La dirección del campo eléctrico es la misma que la dirección de la fuerza sobre las cargas positivas y opuesta a la dirección de la fuerza sobre las cargas negativas. [3] [4] Debido a que las cargas positivas son repelidas por otras cargas positivas y son atraídas por cargas negativas, esto significa que los campos eléctricos apuntan en dirección opuesta a las cargas positivas y hacia las cargas negativas. Estas propiedades del campo eléctrico se resumen en la ecuación de la fuerza eléctrica sobre una carga escrita en términos del campo eléctrico:
Además de producir un campo eléctrico, las partículas cargadas producirán un campo magnético cuando estén en un estado de movimiento que será sentido por otras cargas que estén en movimiento (así como por los imanes permanentes ). [6] La dirección de la fuerza sobre una carga en movimiento proveniente de un campo magnético es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la dirección de las líneas del campo magnético y se puede encontrar usando la regla de la mano derecha . La intensidad de la fuerza está dada por la ecuación.
La combinación de fuerzas eléctricas y magnéticas sobre una partícula cargada se llama fuerza de Lorentz . [7] [8] El electromagnetismo clásico se describe completamente mediante la fuerza de Lorentz junto con un conjunto de ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell . La primera de estas ecuaciones se conoce como ley de Gauss . Describe el campo eléctrico producido por partículas cargadas y por distribuciones de carga . Según la ley de Gauss, el flujo (o flujo) de campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada es proporcional a la cantidad de carga encerrada por esa superficie. [9] [10] Esto significa que cuanto mayor es la carga, mayor es el campo eléctrico que se produce. También tiene otras implicaciones importantes. Por ejemplo, esta ley significa que si no hay carga encerrada por la superficie, entonces no hay ningún campo eléctrico o, si hay una carga cerca pero fuera de la superficie cerrada, el flujo del campo eléctrico hacia la superficie debe cancelarse exactamente con el flujo que sale de la superficie. [11] La segunda de las ecuaciones de Maxwell se conoce como ley de Gauss para el magnetismo y, de manera similar a la primera ley de Gauss, describe el flujo, pero en lugar de flujo eléctrico , describe el flujo magnético . Según la ley del magnetismo de Gauss, el flujo de campo magnético a través de una superficie cerrada es siempre cero. Esto significa que si hay un campo magnético, el flujo hacia la superficie cerrada siempre se cancelará con el flujo que sale de la superficie cerrada. Esta ley también ha sido llamada "no monopolos magnéticos" porque significa que cualquier flujo magnético que fluya fuera de una superficie cerrada debe regresar a ella, lo que significa que los polos magnéticos positivo y negativo deben unirse formando un dipolo magnético y nunca pueden separarse en monopolos magnéticos . [12] Esto contrasta con las cargas eléctricas que pueden existir como cargas positivas y negativas separadas.
La tercera de las ecuaciones de Maxwell se llama ley de Ampère-Maxwell . Afirma que un campo magnético puede ser generado por una corriente eléctrica . [13] La dirección del campo magnético viene dada por la regla de agarre de la mano derecha de Ampère . Si el cable es recto, entonces el campo magnético se curva alrededor de él como los dedos agarrados en la regla de la mano derecha. Si el cable está enrollado en bobinas, entonces el campo magnético dentro de las bobinas apunta en línea recta, como el pulgar extendido en la regla de agarre de la mano derecha. [14] Cuando se utilizan corrientes eléctricas para producir un imán de esta manera, se le llama electroimán . Los electroimanes suelen utilizar un cable enrollado en forma de solenoide alrededor de un núcleo de hierro que refuerza el campo magnético producido porque el núcleo de hierro se magnetiza. [15] [16] La extensión de Maxwell a la ley establece que un campo eléctrico variable en el tiempo también puede generar un campo magnético. [12] De manera similar, la ley de inducción de Faraday establece que un campo magnético puede producir una corriente eléctrica. Por ejemplo, un imán empujado hacia adentro y hacia afuera de una bobina de alambres puede producir una corriente eléctrica en las bobinas que es proporcional a la fuerza del imán, así como al número de bobinas y a la velocidad a la que el imán se inserta y extrae. las bobinas. Este principio es esencial para los transformadores que se utilizan para transformar corrientes de alto voltaje a bajo voltaje y viceversa. Son necesarios para convertir la electricidad de alta tensión en electricidad de baja tensión que pueda utilizarse de forma segura en los hogares. La formulación de Maxwell de la ley se da en la ecuación de Maxwell-Faraday , la cuarta y última de las ecuaciones de Maxwell, que establece que un campo magnético variable en el tiempo produce un campo eléctrico.
.svg/1280px-EM_Spectrum_Properties_(Amplitude_Corrected).svg.png)
Juntas, las ecuaciones de Maxwell proporcionan una única teoría uniforme de los campos eléctrico y magnético y el trabajo de Maxwell en la creación de esta teoría ha sido llamado "la segunda gran unificación en física" después de la primera gran unificación de la ley de gravitación universal de Newton . [17] La solución de las ecuaciones de Maxwell en el espacio libre (donde no hay cargas ni corrientes) produce ecuaciones de ondas correspondientes a ondas electromagnéticas (con componentes tanto eléctricos como magnéticos) que viajan a la velocidad de la luz . [18] La observación de que estas soluciones ondulatorias tenían una velocidad de onda exactamente igual a la velocidad de la luz llevó a Maxwell a plantear la hipótesis de que la luz es una forma de radiación electromagnética y a postular que podrían existir otras radiaciones electromagnéticas con diferentes longitudes de onda. [19] La existencia de la radiación electromagnética fue demostrada por Heinrich Hertz en una serie de experimentos que abarcaron desde 1886 hasta 1889 en los que descubrió la existencia de ondas de radio . El espectro electromagnético completo (en orden creciente de frecuencia) está formado por ondas de radio, microondas , radiación infrarroja , luz visible , luz ultravioleta , rayos X y rayos gamma . [20]
Una mayor unificación del electromagnetismo se produjo con la teoría de la relatividad especial de Einstein . Según la relatividad especial, los observadores que se mueven a diferentes velocidades entre sí ocupan diferentes marcos de referencia de observación . Si un observador está en movimiento con respecto a otro observador, entonces experimenta una contracción de longitud donde los objetos inmóviles aparecen más cerca del observador en movimiento que del observador en reposo. Por lo tanto, si un electrón se mueve a la misma velocidad que la corriente en un cable neutro, entonces experimentan que los electrones que fluyen en el cable están quietos en relación con él y las cargas positivas se contraen juntas. En el marco del laboratorio , el electrón se mueve y por eso siente una fuerza magnética de la corriente en el cable, pero como el cable es neutro no siente ninguna fuerza eléctrica. Pero en el estado de reposo del electrón , las cargas positivas parecen más juntas en comparación con los electrones que fluyen, por lo que el cable parece cargado positivamente. Por lo tanto, en el marco de reposo del electrón no siente ninguna fuerza magnética (porque no se está moviendo en su propio marco), pero sí siente una fuerza eléctrica debido al cable cargado positivamente. Este resultado de la relatividad demuestra que los campos magnéticos son simplemente campos eléctricos en un marco de referencia diferente (y viceversa) y, por lo tanto, los dos son manifestaciones diferentes del mismo campo electromagnético subyacente . [21] [22] [23]
Un conductor es un material que permite que los electrones fluyan fácilmente. Los conductores más eficaces suelen ser los metales porque pueden describirse con bastante precisión mediante el modelo de electrones libres en el que los electrones se deslocalizan de los núcleos atómicos , dejando iones positivos rodeados por una nube de electrones libres. [24] Ejemplos de buenos conductores incluyen el cobre , el aluminio y la plata . Los cables en la electrónica suelen estar hechos de cobre. [25]
Las principales propiedades de los conductores son: [26]
En algunos materiales, los electrones están unidos a los núcleos atómicos y, por lo tanto, no pueden moverse libremente, pero la energía necesaria para liberarlos es baja. En estos materiales, llamados semiconductores , la conductividad es baja a bajas temperaturas pero a medida que aumenta la temperatura los electrones ganan más energía térmica y la conductividad aumenta. [27] El silicio es un ejemplo de semiconductor que se puede utilizar para crear células solares que se vuelven más conductoras cuanto más energía reciben de los fotones del sol. [28]
Los superconductores son materiales que presentan poca o ninguna resistencia al flujo de electrones cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica. La superconductividad sólo puede explicarse mediante el principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica , que establece que no hay dos fermiones (un electrón es un tipo de fermión) que pueden ocupar exactamente el mismo estado cuántico . En los superconductores, por debajo de cierta temperatura los electrones forman pares unidos a bosones que no siguen este principio y esto significa que todos los electrones pueden caer al mismo nivel de energía y moverse juntos uniformemente en una corriente. [29]
Los aisladores son materiales altamente resistivos al flujo de electrones y, por lo tanto, a menudo se usan para cubrir cables conductores por seguridad. En los aisladores, los electrones están estrechamente unidos a los núcleos atómicos y la energía para liberarlos es muy alta, por lo que no pueden moverse libremente y resisten el movimiento inducido por un campo eléctrico externo. [30] Sin embargo, algunos aislantes, llamados dieléctricos , pueden polarizarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo de modo que las cargas se desplazan minuciosamente formando dipolos que crean un lado positivo y uno negativo. [31] Los dieléctricos se utilizan en los condensadores para permitirles almacenar más energía potencial eléctrica en el campo eléctrico entre las placas del condensador. [32]
Un condensador es un componente electrónico que almacena energía potencial eléctrica en un campo eléctrico entre dos placas conductoras con cargas opuestas. Si una de las placas conductoras tiene una densidad de carga de + Q/A y la otra tiene una carga de - Q/A donde A es el área de las placas, entonces habrá un campo eléctrico entre ellas. La diferencia de potencial entre dos placas paralelas V se puede derivar matemáticamente como [33]
donde d es la separación de placas y es la permitividad del espacio libre . La capacidad del capacitor para almacenar energía potencial eléctrica se mide mediante la capacitancia que se define como y para un capacitor de placas paralelas esto es [33]
Si se coloca un dieléctrico entre las placas, entonces la permitividad del espacio libre se multiplica por la permitividad relativa del dieléctrico y la capacitancia aumenta. [32] La energía máxima que puede almacenar un condensador es proporcional a la capacitancia y al cuadrado de la diferencia de potencial entre las placas [33]
Un inductor es un componente electrónico que almacena energía en un campo magnético dentro de una bobina de alambre. Una bobina de alambre por la que circula corriente induce un campo magnético según la ley del circuito de Ampère . Cuanto mayor es la corriente I , mayor es la energía almacenada en el campo magnético y menor es la inductancia que se define donde está el flujo magnético producido por la bobina de alambre. La inductancia es una medida de la resistencia del circuito a un cambio de corriente y por eso también se pueden utilizar inductores con altas inductancias para oponerse a la corriente alterna . [34]
La teoría de circuitos se ocupa de redes eléctricas donde los campos están confinados en gran medida alrededor de conductores portadores de corriente . En tales circuitos, se pueden utilizar leyes de circuitos simples en lugar de derivar todo el comportamiento de los circuitos directamente de las leyes electromagnéticas. La ley de Ohm establece la relación entre la corriente I y el voltaje V de un circuito introduciendo la cantidad conocida como resistencia R [35]
Ley de Ohm:
La potencia se define así , la ley de Ohm se puede utilizar para indicar la potencia del circuito en términos de otras cantidades [36]
La regla de unión de Kirchhoff establece que la corriente que entra en una unión (o nodo) debe ser igual a la corriente que sale del nodo. Esto proviene de la conservación de la carga , ya que la corriente se define como el flujo de carga a lo largo del tiempo. Si una corriente se divide al salir de una unión, la suma de las corrientes divididas resultantes es igual al circuito entrante. [37]
La regla del circuito de Kirchhoff establece que la suma de los voltajes en un circuito cerrado alrededor de un circuito es igual a cero. Esto se debe al hecho de que el campo eléctrico es conservador , lo que significa que no importa el camino tomado, el potencial en un punto no cambia cuando regresas allí. [37]
Las reglas también pueden decirnos cómo sumar cantidades como la corriente y el voltaje en circuitos en serie y en paralelo . [37]
Para circuitos en serie, la corriente sigue siendo la misma para cada componente y los voltajes y resistencias se suman:
Para circuitos en paralelo, el voltaje sigue siendo el mismo para cada componente y las corrientes y resistencias están relacionadas como se muestra:
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite journal}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )La luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia (p.499)
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)