¿QUE ES EL ELECTROMAGNETISMO? | FÍSICA

Campo magnético

Un campo magnético es un campo de fuerzas que se encuentra siempre rodeando una fuente de energía magnética, y es en esta región donde interactúan con ella los elementos sensibles al magnetismo, como son los metales ferromagnéticos. Es decir,  es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial.

Las líneas de campo convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es más débil. Por ejemplo, en una barra imantada compacta o «dipolo», las líneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en el otro y la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen.

Fuerza de Lorentz

El campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas eléctricas. En física, la fuerza de Lorentz es la fuerza ejercida por el campo electromagnético que recibe una partícula cargada o una corriente eléctrica.

Para una partícula sometida a un campo eléctrico combinado con un campo magnético, la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz sobre esa partícula viene dada por:

̿F = q (v x ̿B + ̿E)

Donde v es la velocidad de la carga, E es el vector intensidad de campo eléctrico y B es el vector inducción magnética.

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme, o la variación de las líneas de campo que atraviesan dicha superficie mediante un giro. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida.

Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético, esto es la ley de Faraday.

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

La inducción electromagnética constituye un fenómeno destacado en el electromagnetismo. Se han desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico:

• El transformador, que se emplea para conectar un teléfono móvil a la red.
• La dinamo de una bicicleta.
• El alternador de una gran central hidroeléctrica.
• La inducción electromagnética en una bobina

Relación entre campo magnético y eléctrico

James Clerk Maxwell fue uno de lo más grandes contribuyentes a la teoría del electromagnetismo. Maxwell fue capaz de ver la relación entre un campo magnético y un campo eléctrico como dos caras de la misma moneda. Un campo magnético genera un campo eléctrico, y de la misma manera un campo eléctrico es capaz de inducir un campo campo magnético. Un ejemplo clásico de este fenómeno es un electro-iman. De la misma manera un campo magnético en movimiento podría genera una corriente eléctrica, ergo, un campo eléctrico.

Inducción de campos

La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

La inducción magnética (B) se crea o se induce por la intensidad de campo magnético (H), los cuales no son lo mismo, y depende de la siguiente fórmula:

B = µH

Donde μ es la permeabilidad magnética del material al cual se le está induciendo el magnetismo. Para el caso del aire µ = µₒ = 4π *10‾⁷ [H/m]; donde H es henrio y m es metro. La Intensidad de campo magnético H se mide en [T] Teslas.

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La luz como onda electromagnética

A lo largo de los siglos XVII, XVIII y primera mitad del XIX, gracias a los trabajos presentados años atrás por Huygens, Young o Fresnel en relación a la naturaleza de la luz, pareció quedar claro que la luz se comportaba como una onda, frente a las teorías que postulaban que podía tratarse más bien de una sucesión de partículas o corpúsculos. Sin embargo aún quedaba abierta la cuestión de saber qué era exactamente lo que vibraba en este tipo de ondas. Fue el físico inglés James Clerk Maxwell ( 1831 – 1879 ) quien, en la segunda mitad del siglo XIX, estableció que la luz se comportaba como una onda electromagnética.

¿Qué es una onda electromagnetica?

Las ondas electromagnéticas consisten de un campo eléctrico que oscila y de un campo magnético perpendicular que también oscila. Las propiedades básicas de las ondas: amplitud, longitud de onda y frecuencia.

Se producen ondas electromagnéticas cuando una partícula cargada se encuentre sometida a una aceleración o bien cuando existan corrientes variables. De esta manera la carga eléctrica, en movimiento da lugar a un campo eléctrico variable que, a su vez, crea un campo magnético también variable que, a su vez, crea un campo eléctrico variable y así sucesivamente. Así se generan y propagan las ondas electromagnéticas.

¿Qué es la dualidad de la luz?

La dualidad onda-partícula, consiste en que las entidades sujetas a las leyes de la mecánica cuántica se comportan tanto como partículas como ondas. Einstein se percató de que la luz se comporta como una corriente de partículas (fotones). Sin embargo, también está claro a partir del trabajo de Maxwell sobre el electromagnetismo (y de toda una serie de experimentos prácticos) que la luz también se comporta como una onda. Esta dualidad supone un serio desafío para el sentido común y para la experiencia cotidiana: las ondas son dispersas y continuas, mientras que las partículas son locales y discretas. Hasta el día de hoy, nadie llega a comprender cómo puede algo ser las dos cosas.

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Espectro electro magnético

El espectro electromagnético es el conjunto ordenado de todas las frecuencias o longitudes de onda en que puede descomponerse la radiación electromagnética. Tradicionalmente se suelen establecer 7 zonas que son, de menor a mayor frecuencia: las ondas de radio, las microondas, los infrarrojos, la luz visible, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

La frecuencia y la longitud de onda se encuentran relacionadas a partir de la velocidad de la luz que en el vacío (c), esto es igual para todas las ondas electromagnéticas:

c = λ⋅f

Así mismo, recuerda que para una misma amplitud de onda, a mayor frecuencia mayor energía.

Las regiones en las que queda dividido el espectro electromagnético son, de menor a mayor frecuencia (o de mayor a menor longitud de onda):

Ondas de radio

Son las que tienen una frecuencia menor. Normalmente se generan mediante circuitos oscilantes. Fue Heinrich Rudolf Hertz su descubridor (en su honor se denomina la unidad de frecuencia hercio), al generarlas y detectarlas por primera vez mediante dispositivos de laboratorio. Fue Guglielmo Marconi quien por primera vez las utilizó de manera práctica para realizar una transmisión telegráfica inalámbrica

Microondas

En el orden de frecuencias comprendido entre los 109 Hz y 1012 Hz. Se suelen producir mediante los movimientos de rotación y vibración de las moléculas. Se emplea, por ejemplo, en la telefonía móvil, en los hornos microondas y en las comunicaciones con vehículos espaciales

Infrarrojo

La radiación infrarroja oscila con frecuencias entre 300 gigahertz (GHz ó 109 hertz) y 400 terahertz (THz ó 1012 hertz). Hay aplicaciones, por ejemplo, en los controles remotos, mandos a distancia, sensores y medicina.

Luz Visible

El ojo humano típico responderá a longitudes de onda de 380 a 750 nm (nanometros). Es lo que comúnmente conocemos como luz y son ondas electromagnéticas capaces de ser captadas por nuestros ojos. Normalmente se generan a partir de una excitación eléctrica de átomos o moléculas, que emiten la energía sobrante en forma de radiación. El color rojo y el violeta se encuentran en los extremos, de ahí los nombres de las zonas anterior (infrarrojo) y posterior (ultravioleta) del espectro.

Luz Ultravioleta

La radiación ultravioleta se encuentra entre la luz visible y los rayos X del espectro electromagnético. La «luz» ultravioleta (UV) tiene longitud de onda entre 380 y 10 nanómetros. Se producen, al igual que en el caso de la luz visible, por el tránsito electrónico en átomos y moléculas. Existen, a su vez, distintos subgrupos dentro de esta región entre los que destacan UV-A, UV-B y UV-C. La radiación ultravioleta es parte integrante de los rayos solares produciendo los rayos UV-A, UV-B y UV-C distintos efectos sobre la salud. En general, la capa de ozono nos protege de estos rayos pero deben ser evitadas exposiciones prolongadas a los mismos. Sus aplicaciones son muy variadas, desde la esterilización a la eliminación de moscas y mosquitos.

Rayos X

Es la Radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La Longitud de onda está entre 10 a 0,1 Nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible). Se pueden producir haciendo incidir electrones de gran energía sobre metales. Se suelen emplear como herramientas de diagnóstico, siendo muy populares sus usos en las radiografías, en donde su elevada energía exige de una cuidadosa dosificación de los mismos para que no resulten peligrosos.

Rayos gamma

Los rayos gamma tienen longitud de ondas de aproximadamente 100 picometros (100 x 10-12 metros) o menores, o energías por fotón de por lo menos 10 keV. Este tipo de onda electromagnética oscila en una frecuencia de 3 exahertz (EHz ó 1018 hertz) o mayor. Son peligrosos para toda forma de vida, siendo sólo absorbidos por el plomo o el hormigón con cierto grosor, pero se han encontrado útiles para combatir células cancerosas en tratamientos de radioterapia.

Existen en el entorno natural como rayos cósmicos, expelidos desde el sol y desde fuera de nuestro sistema solar: de las galaxias; isótopos radiactivos en rocas y en minerales.

Leyes de Ampere –Max well

En física del magnetismo, la ley de Ampère, describe la relación entre un campo magnético y un campo eléctrico, osea, una corriente eléctrica estacionaria.

Esta ley fue hecha por André-Marie Ampère en 1831. Luego fue retomada y corregida por James Clerk Maxwell y ahora es una de las ecuaciones de Maxwell, formando parte del electromagnetismo de la física clásica.

▼ x B = µₒJ + µₒƐₒ (∂E/∂t)

En forma sencilla esta ecuación explica que si se tiene un conductor, un alambre recto que tiene una densidad de corriente J, esta provoca la aparición de un campo magnético B rotacional alrededor del alambre y que el rotor de B apunta en el mismo sentido que J.

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Leyes de Faraday y Joseph Henry

En 1831 Michael Faraday llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción electromagnética. Descubrió que, moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Además, esta corriente también aparecía al mover el alambre sobre el mismo imán quieto.

Basado en el principio de conservación de la energía, Michael Faraday pensaba que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica. Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

«La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varia el flujo magnético que atraviesa un circuito, por unidad de tiempo”.

Michael Faraday (1831)

¿Cuál es la ley de Lenz?

La ley de Heinrich Lenz determina el sentido de una corriente eléctrica inducida.

«La corriente inducida crea un campo magnético que se opone siempre a la variación de flujo magnético que la ha producido”.

Heinrich Lenz (1834)

Ecuación de la ley de Faraday

En la ecuación de la ley Faraday-Lenz establece que el cociente entre la variación de flujo (Δϕ) respecto la variación del tiempo(Δt) es igual a la fuerza electromotriz inducida(ξ). El signo negativo viene dado por la ley de Lenz, e indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida y causa de la corriente inducida. Entonces la corriente inducida, se debe al movimiento relativo que hay entre la bobina y el imán.

ξ = – (Δϕ/Δt)