Electromagnetismo

7.1 Electromagnetismo  

Definición

El electromagnetismo es la rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales que son conocidas como ecuaciones de Maxwell.  Los conceptos relacionados a la teoría incluyen la corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética.


7.2 El campo magnético terrestre

El magnetismo terrestre es una fuerza natural debida a que la Tierra se comporta como un imán. Por lo tanto la Tierra posee un polo Norte y un polo Sur, que no concuerdan con los polos geográficos, a día de hoy, ya que estos se invierten con el paso de miles de años. El campo magnético terrestre es producido por las corrientes eléctricas procedentes del interior de la Tierra.

¿Qué beneficios nos aporta el campo magnético terrestre?
El campo magnético terrestre envuelve la Tierra y nos protege de las radiaciones solares y de otras radiaciones cósmicas. Estas radiaciones transportan partículas cargadas con un nivel muy alto de energía, que en caso de llegar a la Tierra podrían provocar grandes desastres en nuestro planeta.

                                                       Un fenómeno que es debido al campo magnético terrestre son las auroras boreales, que, a partir de inmensas masas de partículas procedentes del Sol, llegan al campo magnético de la Tierra y se dirigen hacía el polo norte magnético, que coincide con el polo sur terrestre, y donde, mediante la interacción con la atmósfera, se produce una liberación de energía, dando lugar a este espectáculo natural.




7.3 Trayectoria de las cargas en movimiento dentro de un campo magnético

La fuerza magnética que actúa sobre una partícula cargada que se mueve en un campo magnético es siempre perpendicular a la velocidad de la partícula. De esta propiedad se sigue que:

El trabajo realizado por la fuerza magnética es cero ya que el desplazamiento de la carga es siempre perpendicular a la fuerza magnética. Por lo tanto, un campo magnético estático cambia la dirección de la velocidad pero no afecta la rapidez o la energía cinética de la partícula cargada.

7.4 Fuerzas magnéticas entre corrientes.

Fuerza sobre un conductor rectilíneo que lleva una corriente.

La fuerza magnética que actua sobre un conductor recto de longitud l,  que lleva una
intensidad de corriente l , al colocarle en el interior del campo magnetico B uniforme es:
F = I (l x B) la direccion de la l es la intensidad de corriente.

Fuerza sobre un elemento de corriente.
Si un elemento de conductor de forma arbitraria por el que circula una corriente eléctrica se coloca en el interior de un campo magnético B uniforme, la fuerza que actua sobre un elemento de corriente de longitud dl es:

dF= I (dl x B)
 
 Para determinar la fuerza magnética total sobre el conductor, se tiene que integrar la ecuación anterior.
La fuerza magnética resultante sobre un conductor cerrado que lleva una intensidad de corriente l en el interior de un campo magnético uniforme es nula.






7.5 Leyes de electromagnetismo.

 
LEY DE GAUSS
Esta ley establece que el flujo eléctrico neto, , a través de cualquier superficie gaussiana (superficie cerrada), es igual a la carga neta dentro de la superficie

Coulomb gaus

Donde  = carga eléctrica cerrada por la superficie gaussiana.
La ley de Gauss se utiliza para determinar la intensidad de campo eléctrico debido a distribuciones de carga eléctrica con alto grado de simetría. Esta ley es una de las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.




LEY DE BIOT-SAVART
Los campos magnéticos son producidos con cargas en movimiento, esto es, por corriente eléctrica. Los    físicos Biot y Savart dedujeron una relación matemática que permite conocer el campo magnético dB en un punto P debido a un elemento de corriente ds que conduce una intensidad de corriente

LEY DE INDUCCION FARADAY-HENRY

Faraday

Henry

Esta ley establece que la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la variación con respecto al tiempo del flujo magnético a través del circuito





LEY DE LENZ
La fem la corriente inducidas se oponen a la causa que las produce es decir, las corrientes inducidas producen campos magnéticos que tienden a anular los cambios de flujo que las inducen






7.6 Ley de Ampere

La ley de Biot (1774-1882) y Savart (1791-1841) expresa la relación existente entre la intensidad, I, de una corriente eléctrica rectilínea y estacionaria (de valor constante) y el campo magnético, B, que dicha corriente crea a una cierta distancia, r, de la misma:

André-Marie Ampère

Ampère (1775-1836), inspirándose en esta expresión, estableció en 1826 una relación general entre estas dos magnitudes, sea cual sea la forma del conductor por el que circula la corriente de intensidad constante, I:
Indica que la circulación del vector campo magnético, B, a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de la permeabilidad magnética, µ, por la intensidad eléctrica resultante creadora de dicho campo (suma algebraica de las intensidades de corriente que atraviesan la superficie limitada por esa línea cerrada).

7.7 Inductancia magnética

La inductancia es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un inductor.

Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales  cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la  capacitación y de la inductancia.

La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la  inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia.

Existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito sobre sí mismo llamados de inducción propia o auto inducción; y los producidos por la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua.

7.8 Energía asociada con un campo magnético

La energía necesaria para crear un campo magnético puede calcularse en dos formas: en función de las corrientes en las espiras de alambre o como una integral de la densidad de energía sobre el campo entero.


Si no se registran pérdidas (como las debidas a histéresis), la energía utilizada para crear el campo magnético puede recuperarse cuando sea apagado, de modo que representa la energía de él.

La  potencia de las perdidas por histéresis es proporcionada a la superficie de la espira de las histéresis y a las frecuencias.

El concepto de energía de la auto inductancia indica que puede representarse como una suma de la energía asociada a campo extremo a la región con la corriente(inductancia externa), y de la relacionada con el campo dentro de la región de corrientes (inductancia interna).

En las espiras den corriente en el vacío, siempre es posible calcular la fuerza magnética, pero a veces es difícil. Podría ser más sencillo el método basado en la energía utilizada en tal caso.

En particular, si hay materiales magnéticos, puede calcularse mediante fórmulas basadas de conversión de la energía en el campo magnético.

7.9 Densidad de energía magnética

Ya que Al es el volumen del selenoide, la energía almacenada por unidad de volumen en un campo magnético está dada por

Aunque la ecuación anterior se dedujo para el caso específico de un selenoide, ésta es válida para cualquier región del espacio en donde exista un campo magnético.  Obsérvese que es similar en forma a la ecuación de la energía por unidad de volumen almacenada por un campo eléctrico.  En ambos casos la densidad de energía es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo.
 La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y en algunos textos modernos recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real.

La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla.

Está dado por:

Donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y u_r es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).

O bien:

Donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r.

7.10 Aplicaciones del electromagnetismo

Trenes de levitación magnética. Estos trenes no se mueven en contacto con los rieles, sino que van “flotando” a unos centímetros sobre ellos debido a una fuerza de repulsión electromagnética. Esta fuerza es producida por la corriente eléctrica que circula por unos electroimanes ubicados en la vía de un tren, y es capaz de soportar el peso del tren completo y elevarlo.

Motor Rotativo

Timbres. Al pulsar el interruptor de un timbre, una corriente eléctrica circula por un electroimán creado por un campo magnético que atrae a un pequeño martillo golpea una campanilla interrumpiendo el circuito, lo que hace que el campo magnético desaparezca y la barra vuelva a su posición. Este proceso se repite rápidamente y se produce el sonido característico del timbre.
Motor eléctrico. Un motor eléctrico sirve para transformar electricidad en movimiento. Consta de dos partes básicas: un rotor y un estator. El rotor es la parte móvil y esta formado por varias bobinas. El estator es un imán fijo entre cuyos polos se ubica la bobina. Su funcionamiento se basa en que al pasar la corriente por las bobinas, ubicadas entre los polos del imán, se produce un movimiento de giro que se mantiene constante, mediante un conmutador, generándose una corriente alterna.
Transformador. Es un dispositivo que permite aumentar o disminuir el voltaje de una corriente alterna. Esta formado por dos bobinas enrolladas en torno a un núcleo o marco de hierro. Por la bobina llamada primario circula la corriente cuyo voltaje se desea transformar, produciendo un campo magnético variable en el núcleo del hierro. Esto induce una corriente alterna en la otra bobina, llamada secundario, desde donde la corriente sale transformada. Si el numero de espiras del primario es menor que el del secundario, el voltaje de la corriente aumenta, mientras que, si es superior, el voltaje disminuye.