Antología Física IV

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Antología de Física IV
Antología
de
Física IV
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Estudiante: _______________________________________
Elaboró: Ing. Víctor H. Alcalá-Octaviano
Última revisión: 15-abril-2014
FB: VH Alcalá
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Elaboró: Ing. Víctor H. Alcalá-Octaviano
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Antología de Física IV
Índice
Unidad I. Electrostática
1.1 Antecedentes históricos
1.2 Introducción
1.2.1 Iones e ionización
1.2.2 Electrones libres
1.3 Tipos de carga
1.3.1 Electrización
1.3.2 Formas de electrización
1.4 Conductores y aisladores
1.5 Ley de Coulomb
1.5.1 Definición
1.5.2 Fórmula, unidades y problemas
1.6 Campo eléctrico
1.6.1 Definición
1.6.2 Intensidad de campo eléctrico
1.6.3 Problemas
1.7 Potencial eléctrico
1.7.1 Definición
1.7.2 Diferencia de potencial
1.7.3 Fórmulas, unidades y problemas
1.8 Capacitores y condensadores
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Unidad II. Electrodinámica
2.1 Simbología eléctrica
2.2 Corriente eléctrica
2.2.1 Corriente directa y corriente alterna
2.2.2 Intensidad de corriente
2.2.3 Voltaje
2.2.4 Resistencia
2.3 Ley de Ohm
2.4 Aparatos de medición y uso
2.5 Circuitos eléctricos
2.5.1 Conexiones en serie
2.5.2 Conexiones en paralelo
2.5.3 Conexiones mixtas
2.5.4 FEM
2.6 Potencia eléctrica
2.7 Leyes de Kirchhoff
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Unidad III. Magnetismo
3.1 Antecedentes históricos
3.2 Propiedades y características de los imanes
3.3 Comportamiento magnético de los materiales
3.3.1 Ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos
3.4 Campo magnético
3.4.1 Densidad de flujo magnético
3.4.2 Magnetismo terrestre
3.4.3 Brújula
3.5 Ley de Coulomb (Magnetismo). Generalidades
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Unidad IV. Electromagnetismo
4.1 Principios básicos y manifestaciones electromagnéticas
4.2 Introducción electromagnética
4.2.1 Intensidad del campo magnético
4.2.2 Densidad del flujo magnético
4.2.3 Ley de Lenz
4.2.4 Ley de Faraday
4.3 Inductancia
4.4 Solenoides y bobinas
4.5 Motores, generadores y transformadores
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Bibliografía
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Unidad I
Electrostática
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Unidad I. Electrostática.
1.1
Antecedentes históricos
La electrostática. Es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos
producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático
de un cuerpo cargado.
Históricamente la electrostática fue la rama del electromagnetismo que
primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y
utilizada en experimentos de laboratorios a partir del siglo XVII, y ya en la segunda
mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y
explicación permitiendo demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que
gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco
teórico denominado electromagnetismo.
La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la
antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la
enseñanza moderna; como el de comprobar cómo ciertos materiales se cargan de
electricidad por simple frotación, y atraen, por ejemplo, pequeños trozos de papel o
pelo a un globo que previamente se ha frotado con un paño.
Alrededor del 600 a. C. el filósofo griego Thales de Mileto describió por primera
vez fenómenos electrostáticos producidos al frotar fragmentos de ámbar y
comprobar su capacidad de atracción sobre pequeños objetos. Algo más tarde,
otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realizó un estudio de los diferentes materiales que
eran capaces de producir fenómenos eléctricos, escribiendo el primer tratado sobre
la electricidad.
A comienzos del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad
y el magnetismo orientados a mejorar la precisión de la navegación con brújulas
magnéticas. El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra
electricidad del griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó sus
experimentos y fue el primero en comentar que había fuerzas de atracción entre
ciertos cuerpos y de repulsión entre otros.
Alrededor de 1672 el físico alemán Otto von Guericke construye la primera
máquina electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática
por rozamiento. Esta máquina consistía en una bola de azufre atravesada por una
varilla que servía para hacer girar la bola. Las manos aplicadas sobre la bola
producían una carga mayor que la conseguida hasta entonces. Francis Hawkesbee
perfeccionó la máquina de fricción usando una esfera de vidrio hacia 1707.
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En 1733 el francés Francois de Cisternay du Fay propuso la existencia de dos
tipos de carga eléctrica, positiva y negativa, constatando:
“Los objetos frotados contra el ámbar se repelen, también se repelen los
objetos frotados contra una barra de vidrio, sin embargo, los objetos frotados con el
ámbar atraen los objetos frotados con el vidrio”.
Du Fay y Stephen Gray fueron dos de los primeros "físicos eléctricos" en
frecuentar plazas y salones para popularizar y entretener con la electricidad. Como
ejemplo, se electriza a las personas y se producen descargas eléctricas, siendo un
ejemplo, el llamado beso eléctrico al electrificar una dama y esta dar un beso a una
persona no electrificada.
En 1745 se desarrollaron los primeros elementos de acumulación de cargas, los
condensadores desarrollados en la Universidad de Leiden por Ewald Jürgen Von
Kleist y Pieter Van Musschenbroeck. Estos instrumentos, denominados botella de
Leyden, fueron utilizados como curiosidad científica durante gran parte del siglo
XVIII. En esta época se construyeron diferentes instrumentos para generar cargas
eléctricas, en general variantes de la botella de Leyden para medir sus propiedades
como los electroscopios.
En 1767, Joseph Priestley publicó su obra The History and Present State of
Electricity sobre la historia de la electricidad hasta esa fecha. El libro sería durante un
siglo el referente para el estudio de la electricidad. En él, Priestley anuncia también
alguno de sus propios descubrimientos como era la conductividad del carbón. Hasta
entonces se pensaba que solo el agua y los metales podían conducir la electricidad.
En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se
describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas, formulando las
leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas, usando la balanza de
torsión para realizar sus medidas. En su honor estas leyes se conocen con el nombre
de ley de Coulomb. Esta ley, junto con su elaboración matemática más sofisticada a
través del teorema de Gauss y la derivación de los conceptos de campo eléctrico y
potencial eléctrico, describen la práctica totalidad de los fenómenos electrostáticos.
Durante todo el siglo posterior se sucedieron avances significativos en el
estudio de la electricidad, como los fenómenos eléctricos producidos por cargas en
movimiento en el interior de un material conductor. Finalmente, en 1864 el físico
escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en
un conjunto reducido de leyes matemáticas.
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1.2
Antología de Física IV
Introducción
En la electrostática se estudia cómo interactúan las cargas que pueden
adquirir los materiales en función de sus tipos de cargas, los iones que los integran; el
conocer si un material es conductor o un aislador, el conocimiento de la ley de
Coulomb y sus aplicaciones, lo referente al campo eléctrico y lo que es el potencial
eléctrico, finalmente en el estudio de esta unidad veremos lo referente a lo que son
los capacitores y los condensadores.
1.2.1
Iones e ionización
7
En química y física, se define al ion o ión, [del griego ión (ών), participio
presente de ienai "ir", de ahí "el que va"] como una especie química, ya sea un
átomo o una molécula, cargada eléctricamente. Esto se debe a que ha ganado o
perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce
como ionización. También suele llamársele molécula libre, cuando se trata de una
molécula.
Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones,
se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados
positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como
cationes (los que son atraídos por el cátodo).
La ionización es el proceso químico o físico mediante el cual se producen
iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o
falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. A la especie química
con más electrones que el átomo o molécula neutra se le llama anión, y posee una
carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones catión, teniendo una carga
neta positiva. Hay varias maneras por las que se pueden formar iones de átomos o
moléculas.
1.2.2
Electrones libres
Son aquellos que sólo están débilmente sujetos por un átomo. Conocido
también como electrón de la banda de conducción debido a que describe una
gran órbita equivalente a un nivel de alta energía.
No giran alrededor del núcleo de un átomo, ellos se pueden desplazar
aleatoriamente o desplazándose a través de un circuito eléctrico siguiendo un orden
determinado por una fuente de energía potencial, normalmente son los más
alejados del núcleo y por lo tanto los que menos están ligados con el átomo.
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Realmente el tiempo que duran libres es muy corto pero suficiente para
generar corriente eléctrica.
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Fig. 1.2.2-1. Diagrama que ilustra a un electrón libre.
1.3
Tipos de carga
En física, carga eléctrica 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 es la fuente de una de las cuatro
interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado
experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, los electrones tienen
carga -1, también denotada por -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e.
Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 o ±2/3, aunque no se han observado
aislados en la naturaleza.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de carga eléctrica se
denomina coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por
una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se
corresponde con la carga de 6,24 × 1018 electrones aproximadamente.
1.3.1
Electrización
En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas
eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente
neutro.
1.3.2
Formas de electrización
Existen principalmente 2 tipos de electrización, aún cuando hay varias otras,
estudiaremos solo a la electrización por contacto y por frotamiento.
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Electrización por contacto. Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo
con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de
carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero
debe quedar con carga positiva.
Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los
posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y
manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos
cuerpos.
Electrización por frotamiento. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros
(número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga
positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de
seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta
con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño. Ej.: un globo lo frotas
en la cabeza de un amigo, compañero o tu mismo cabello y luego lo pones cerca
de la cabeza de otro compañero o amigo y veras que el cabello se levanta.
1.4
Conductores y aisladores
Los materiales se comportan de forma diferente a la hora de adquirir una
carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una
piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa
un mango de vidrio o de ebonita y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La
explicación es que las cargas se pueden mover libremente entre el metal y el cuerpo
humano, mientras que el vidrio y la ebonita no permiten hacerlo, aislando la varilla
metálica del cuerpo humano.
Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los
electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de
movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que
transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por
todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen
por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se
denominan conductores.
En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales
los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia,
estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de
carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se
mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El
vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos.
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La distinción entre conductores y aisladores no tiene nada de absoluto: la
resistividad no es infinita (pero sí muy grande), y las cargas eléctricas libres,
prácticamente ausentes de los buenos aisladores, pueden crearse fácilmente
suministrando la cantidad adecuada de energía para separar a un electrón del
átomo al que esté ligado (por ejemplo, mediante irradiación o calentamiento). Así, a
una temperatura de 3000 K todos los materiales son conductores.
Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones
intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia
en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución
tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus
propiedades conductoras se alteran mediante la adición de una minúscula
cantidad de sustancias dopantes, consiguiendo que el material semiconductor
tenga las propiedades conductoras necesarias con la aplicación de un cierto
potencial eléctrico.
Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy
bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los
superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un
superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.
1.5
Ley de Coulomb
La ley de Coulomb nos permite relacionar magnitudes tales como la fuerza de
atracción, las cargas de 2 entidades, la distancia que separa a dichas entidades y
generar una constante de proporcionalidad.
1.5.1
Definición
La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb,
quien fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre
cargas eléctricas.
Henry Cavendish también obtuvo la relación inversa de la ley con la distancia,
aunque nunca publicó sus descubrimientos y no fue hasta 1879 cuando James Clerk
Maxwell los publicó.
La ley puede expresarse como:
“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos
cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la
magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa”
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1.5.2
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Fórmula, unidades y problemas
Fórmula:
𝑭=𝒌
𝒒𝟏 𝒒𝟐
𝒅𝟐
Las unidades con las que se trabaja la ley de Coulomb son las siguientes:
La unidad de carga para q1 y q2 es el coulomb (C)
La unidad de distancia para r (ó d) es el metro (m)
La unidad de fuerza para F es el newton (N)
Las unidades de la constante de proporcionalidad K son (N·m2/C2)
Nota: Para los problemas pueden manejarse distintas unidades tanto para la
distancia, la fuerza y la constante de proporcionalidad, pero SIEMPRE se deben de
llegar, para fines de los cálculos en clase y examen, a las unidades mencionadas
anteriormente.
La constante de proporcionalidad, también llamada constante de Coulomb
tiene un valor en el vacío de 9 x 109 N· m2/C2. En algún otro medio su valor se ve
modificado, debido a ello, cuando se diga que se tiene un sistema que se encuentra
en el vacío, siempre se tomará el valor antes mencionado.
Los problemas y ejercicios se resolverán en clase.
1.6
Campo eléctrico
Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su
influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de
acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se
recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la
influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.
1.6.1
Definición
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas
es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto
cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una
carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es
decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.
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1.6.2
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Intensidad de campo eléctrico
La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la
carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre
de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una
fuerza, la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene
definida por su módulo E y por su dirección y sentido.
Campo eléctrico de una carga puntual. El campo eléctrico de una carga
puntual Q en un punto P distante r de la carga viene representado por la siguiente
fórmula:
que es lo mismo que E =k (Q/r2), las unidades son N/C
y el potencial del punto P debido a la carga Q es un escalar y vale:
𝑽= K (Q/r)
Cuyas unidades son N·m/C.
Problemas
Los problemas se realizarán en clase.
1.7
Potencial eléctrico
Dos cargas en la misma posición tienen dos veces más energía potencial que
una sola; tres cargas tendrán el triple de energía potencial; un grupo de diez cargas
tendrán diez veces más energía potencial, y así sucesivamente.
En vez de ocuparnos de la energía potencial total de un grupo de cargas, es
conveniente, cuando se trabaja con electricidad, considerar la energía potencial
eléctrica por unidad de carga. La energía potencial eléctrica por unidad de carga
es el cociente de la energía potencial eléctrica total entre la cantidad de carga.
En cualquier punto la energía potencial por unidad de carga es la misma,
cualquiera que sea la cantidad de carga. Por ejemplo, un objeto con diez unidades
de carga que se encuentra en un punto específico tiene diez veces más energía
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Antología de Física IV
que un objeto con una sola unidad de carga, pero como también tiene diez veces
más carga, la energía potencial por unidad de carga es la misma.
El concepto de energía potencial por unidad de carga recibe un nombre
especial: potencial eléctrico. La unidad del Sistema Internacional que mide el
potencial eléctrico es el Volt (V), así llamado en honor del físico italiano Alessandro
Volta (1745-1827).
El símbolo del volt es V. Puesto que la energía potencial se mide en joule y la
carga en coulomb:
Como el potencial eléctrico se mide en volts, se le suele llamar voltaje.
1.7.1
Definición
El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza
eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva "q" desde el infinito
(donde el potencial es cero) hasta ese punto.
Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para
traer una carga unitaria "q" desde el infinito hasta el punto considerado en contra de
la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:
Las unidades para el potencial eléctrico son de (Joules/Coulombs o Volts).
Considérese una carga de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el
mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba q0 localizada a una
distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:
𝑼=𝒌
𝒒𝟎 𝒒
𝒓
Las unidades resultantes serán joules para la energía potencial electrostática mutua.
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1.7.2
Antología de Física IV
Diferencia de potencial
Considérese una carga de prueba positiva q0 en presencia de un campo
eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en
equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la
diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo WAB puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial
eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el potencial eléctrico
en A. La unidad en el SI para la diferencia de potencial que se deduce de la
ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el
voltio, esto es: 1 voltio = 1 Joule/Coulomb.
Un electrón volt (eV) es la energía adquirida para un electrón al moverse a
través de una diferencia de potencial de 1V, 1 eV = 1,6 x 10-19 J. Algunas veces se
necesitan unidades mayores de energía, y se usan los kiloelectrón volts (keV),
megaelectrón volts (MeV) y los gigaelectrón volts (GeV). (1 keV=10 3 eV, 1 MeV = 106
eV, y 1 GeV = 109 eV).
Aplicando esta definición a la teoría de circuitos y desde un punto de vista
más intuitivo, se puede decir que el potencial eléctrico en un punto de un circuito
representa la energía que posee cada unidad de carga al paso por dicho punto.
Así, si dicha unidad de carga recorre un circuito constituyéndose en corriente
eléctrica, ésta irá perdiendo su energía (potencial o voltaje) a medida que atraviesa
los diferentes componentes del mismo.
Obviamente, la energía perdida por cada unidad de carga se manifestará
como trabajo realizado en dicho circuito (calentamiento en una resistencia, luz en
una lámpara, movimiento en un motor, etc.).
Por el contrario, esta energía perdida se recupera al paso por fuentes
generadoras de tensión. Es conveniente distinguir entre potencial eléctrico en un
punto (energía por unidad de carga situada en ese punto) y corriente eléctrica
(número de cargas que atraviesan dicho punto por segundo).
Usualmente se escoge el punto A a una gran distancia (en rigor el infinito) de
toda carga y el potencial eléctrico VA a esta distancia infinita recibe arbitrariamente
el valor cero. Esto permite definir el potencial eléctrico en un punto poniendo VA = 0
y eliminando los índices:
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Antología de Física IV
Que es la misma que tenemos en el tema 1.7.1
1.7.3
Fórmulas, unidades y problemas
Las fórmulas son las que se han visto durante todo este tema, así como las
unidades que implican, los problemas se verán en clase.
1.8
Capacitores y condensadores
Un capacitor ó condensador es un dispositivo formado por dos conductores ó
armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material
dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una
determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le
denomina capacidad, y en el Sistema Internacional de unidades se mide en
Faradios (F), siendo un faradio la capacidad de un condensador en el que,
sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren
una carga eléctrica de 1 coulomb.
El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:
en donde:
C = Capacidad
Q= Carga eléctrica
V= Diferencia de potencial
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras
como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Así tenemos
condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas
simplemente por aire, por materiales cerámicos, mica, poliéster, papel ó incluso por
una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.
Un condensador o capacitor no es más que un dispositivo que tiene como
función almacenar cargas eléctricas para su posterior utilización. Ellos son utilizados
frecuentemente en una variedad de circuitos eléctricos que mencionaremos a
continuación:
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En los radios receptores se encargan de sintonizar la frecuencia.
Eliminan los chispazos en los sistemas de encendido de los automóviles.
Son usados en los filtros de las fuentes de poder.
Sirven como dispositivos de almacenamiento de energía en las unidades
electrónicas de destello.
Tipos de Condensadores
Condensadores Fijos: Son los de papel, los cerámicos y electrolíticos. En los de
papel las placas están constituidas por láminas de aluminio de alta pureza, y su
dieléctrico es un papel de alta calidad. En los de cerámica, las placas son de plata y
usan cerámica como dieléctrico. En los electrolíticos las placas son de aluminio y la
otra es un electrólito, usando óxido de aluminio como dieléctrico.
Condensadores Variables: Son aquellos a los cuales es posible variarle su
capacidad a través de medios mecánicos, usándose aire o plástico como
dieléctrico.
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Unidad II
Electrodinámica
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Antología de Física IV
Unidad II. Electrodinámica
Introducción
La electrodinámica implica estudios donde se observa la circulación de una
corriente eléctrica, de manera que todos los fenómenos eléctricos puedan
analizarse.
Electrodinámica. Es el estudio de los fenómenos producidos por la electricidad
en movimiento, es la rama del electromagnetismo que trata de la evolución
temporal en sistemas donde interactúan campos eléctricos y magnéticos con
cargas en movimiento.
2.1 Simbología eléctrica
Se tiene una gama amplia de la simbología eléctrica en la siguiente dirección
web, para los que quieran documentarse más al respecto:
http://electronicaanalogica.wikispaces.com/file/view/SIMBOLOS_ELECTRONICOS.PDF
2.2 Corriente eléctrica
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).
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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 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.
Para que una corriente eléctrica circule por un circuito es necesario que se
disponga de tres factores fundamentales:
1. Fuente de fuerza electromotriz (FEM). 2. Conductor. 3. Carga o resistencia conectada al
circuito. 4. Sentido de circulación de la corriente eléctrica.
1. Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) como, por ejemplo, una batería, un
generador o cualquier otro dispositivo capaz de bombear o poner en
movimiento las cargas eléctricas negativas cuando se cierre el circuito
eléctrico.
2. Un camino que permita a los electrones fluir, ininterrumpidamente, desde el
polo negativo de la fuente de suministro de energía eléctrica hasta el polo
positivo de la propia fuente. En la práctica ese camino lo constituye el
conductor o cable metálico, generalmente de cobre.
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19
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Antología de Física IV
3. Una carga o consumidor conectado al circuito que ofrezca resistencia al paso
de la corriente eléctrica. Se entiende como carga cualquier dispositivo que
para funcionar consuma energía eléctrica como, por ejemplo, una bombilla o
lámpara para alumbrado, el motor de cualquier equipo, una resistencia que
produzca calor (calefacción, cocina, secador de pelo, etc.), un televisor o
cualquier otro equipo electrodoméstico o industrial que funcione con corriente
eléctrica.
Cuando las cargas eléctricas circulan normalmente por un circuito, sin encontrar
en su camino nada que interrumpa el libre flujo de los electrones, decimos que
estamos ante un “circuito eléctrico cerrado”.
Si, por el contrario, la circulación de la corriente de electrones se interrumpe por
cualquier motivo y la carga conectada deja de recibir corriente, estaremos ante un
“circuito eléctrico abierto”.
Por norma general todos los circuitos eléctricos se pueden abrir o cerrar a
voluntad utilizando un interruptor que se instala en el camino de la corriente eléctrica
en el propio circuito con la finalidad de impedir su paso cuando se acciona manual,
eléctrica o electrónicamente.
2.2.1 Corriente directa y corriente alterna
La corriente eléctrica puede ser corriente directa (cd) o corriente alterna (ca).
Con cd denotamos la corriente directa, que implica un flujo de carga que fluye
siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente directa en un circuito
porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven
siempre en el circuito en la misma dirección: del borne negativo que los repele al
borne positivo que los atrae. Aún si la corriente se mueve en pulsaciones irregulares,
en tanto lo haga en una sola dirección es cd.
La corriente alterna (ca) se comporta como su nombre lo indica. Los
electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido
opuesto, con un movimiento de vaivén en torno a posiciones relativamente fijas. Esto
se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o de otra fuente.
La popularidad de que goza la ca proviene del hecho de que la energía
eléctrica en forma de ca se puede transmitir a grandes distancias por medio de
fáciles elevaciones de voltaje que reducen las pérdidas de calor en los cables.
La aplicación principal de la corriente eléctrica, ya sea cd o ca, es la
transmisión de energía en forma silenciosa, flexible y conveniente de un lugar a otro.
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2.2.2 Intensidad de corriente
La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula
por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que
se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la
carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al
paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será
mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice
más el paso de los electrones.
21
Analogía hidráulica. El tubo del depósito "A", al tener un diámetro reducido, ofrece más
resistencia a< la salida del líquido que el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro. Por
tanto, el caudal o cantidad. de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la que sale por
el tubo "A".
Mediante la representación de una analogía hidráulica se puede entender
mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad,
situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el
tubo de salida de menor diámetro será menor que el caudal que proporciona otro
depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece
menos resistencia a la salida del líquido.
De la misma forma, un dispositivo o consumidor que posea una resistencia de
un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual
que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro
consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar
mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por
los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad
de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra
con la resistencia que ofrece la carga o consumidor.
La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra ( I ) y su unidad
de medida en el Sistema Internacional ( SI ) es el ampere (llamado también
“amperio”), que se identifica con la letra ( A ).
La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un
material. Se debe a un movimiento de los electrones por el interior del material.
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Se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica,
puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas
positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo
de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se
observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son
negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al
convencional.
En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad,
solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento o por inducción. Se
logró, por primera vez, en 1800 tener un movimiento constante de carga cuando el
físico italiano Alessandro Volta inventó, la primera pila eléctrica.
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el
galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie
con el conductor cuya intensidad se desea medir.
Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 coulombio de
carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el
material conductor.
La corriente I en amperios puede ser calculada con la siguiente ecuación:
𝑰=
Donde:
𝑸
𝒕
I = Intensidad de corriente en amperios.
Q = Carga en Coulombios.
t = Tiempo en segundos.
2.2.3 Voltaje
El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente
de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas
eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el
flujo de una corriente eléctrica.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre
las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje
o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.
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La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se
manifiesta como la acumulación de cargas eléctricas negativas (iones negativos o
aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–) y la acumulación de
cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones en
el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM.
23
A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en
estado "neutro", con un solo electrón girando en su última órbita y a la derecha un "ión"
cobre, después que el átomo ha perdido el único electrón que posee en su órbita más
externa. Debido a que en esas condiciones la carga positiva de los protones supera a las
cargas negativas de los electrones que aún continúan girando en el resto de las órbitas,
el ión se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva.
En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso
que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un
circuito eléctrico cerrado.
Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir
del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente.
2.2.4 Resistencia
Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que
encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor
viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se
mide con el Ohmímetro.
Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna
cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni
capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la
circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. Según sea la magnitud de
esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y
semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas
condiciones
de
temperatura,
aparece
un
fenómeno
denominado
superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.
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Resistencia de un conductor.
El conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los
componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser
considerado como otro componente más con características similares a las de la
resistencia eléctrica.
De este modo, la resistencia de un conductor eléctrico es la medida de la
oposición que presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la
oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es
muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia
es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener
en cuenta su resistencia (conductor real).
La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo (L), de su
sección (A), del tipo de material y de la temperatura. Si consideramos la
temperatura constante (20 ºC), la resistencia viene dada por la siguiente expresión:
𝑹=𝝆
𝑳
𝑨
en la que 𝝆 es la resistividad (una característica propia de cada material).
Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en
sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en
ohms por metro (Ω· m, a veces también en Ω·mm²/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.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura,
mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la
temperatura.
Veamos algunos ejemplos de resistividades en diferentes tipos de materiales
que son comunes en la vida cotidiana.
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Resistividad de algunos materiales
Material
Resistividad (en 20°C-25ºC) (Ω· m)
Plata
1,55 x 10-8
Cobre
1,70 x 10-8
Oro
2,22 x 10-8
Aluminio
2,82 x
Wolframio
5,65 x 10-8
Níquel
6,40 x 10-8
Hierro
8,90 x 10-8
Platino
10,60 x 10-8
Acero inoxidable 301
72,00 x 10-8
25
10-8
2.3 Ley de Ohm
La Ley de Ohm define una propiedad específica de ciertos materiales por la
que se cumple la relación:
𝑽 = 𝑹∙𝑰
Un conductor cumple la Ley de Ohm sólo si su curva V-I es lineal, esto es si R es
independiente de V y de I. Sin embargo, la relación:
𝑹=
𝑽
𝑰
sigue siendo la definición general de la resistencia de
independientemente de si éste cumple o no con la Ley de Ohm.
un
conductor,
La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es
directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente
proporcional a la resistencia del mismo, según expresa la fórmula siguiente:
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𝑰=
𝑽
𝑹
donde, empleando unidades del Sistema internacional,
tenemos que:
I = Intensidad en amperios (A)
V = Diferencia de potencial en voltios (V)
R = Resistencia en ohmios (Ω).
26
El enunciado de la ley de Ohm dice: “En un conductor recorrido por una
corriente eléctrica, el cociente entre la diferencia de potencial aplicada a los
extremos del conductor y la intensidad de la corriente que por él circula es una
cantidad constante, que depende del conductor, esta cantidad se le denomina
resistencia”.
La ley enunciada verifica la relación entre voltaje y corriente en un resistor.
2.4 Aparatos de medición y uso
A continuación, se comentarán los instrumentos que utilizamos para medir las
diferentes tensiones, resistencias, y otras variaciones de electricidad que tengan
circuitos y equipos. Dichos instrumentos nos ayudan a mantener a circuitos y equipos
en un óptimo funcionamiento basándonos en ecuaciones y comparaciones en lo
que respecta al flujo de electricidad.
Los parámetros que distinguen el uso de los instrumentos de medición son:


La intensidad la miden los amperímetros.
La tensión la miden los voltímetros.
Además el Ohmímetro mejora el circuito (Amperímetro - Voltímetro) y el
Multímetro reúne todas las funciones de los tres antes mencionados.
Las mediciones eléctricas se realizan con aparatos especialmente diseñados
según la naturaleza de la corriente; es decir, si es alterna, continua o pulsante. Los
instrumentos se clasifican por los parámetros de voltaje, tensión e intensidad.
De esta forma, podemos enunciar los instrumentos de medición como el
amperímetro o unidad de intensidad de corriente. El voltímetro como la unidad de
tensión, el Ohmímetro como la unidad de resistencia y los multímetros como
unidades de medición múltiples.
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El amperímetro. Es el instrumento que mide la intensidad de la corriente eléctrica.
Su unidad de medida es el amperio y sus submúltiplos, el miliamperio y el
microamperio.
Los usos dependen del tipo de corriente, ó sea, que cuando midamos corriente
continua, se usará el amperímetro de bobina móvil y cuando usemos corriente
alterna, usaremos el electromagnético.
El voltímetro. Es el instrumento que mide el valor de la tensión. Su unidad básica
de medición es el voltio (V) con sus múltiplos: el megavoltio (MV) y el kilovoltio (KV) y
submúltiplos como el milivoltio (mV) y el microvoltio. Existen voltímetros que miden
tensiones continuas llamados voltímetros de bobina móvil y de tensiones alternas, los
electromagnéticos.
El Ohmímetro. Es un arreglo de los circuitos del voltímetro y del amperímetro, pero
con una batería y una resistencia. Dicha resistencia es la que ajusta en cero el
instrumento en la escala de los ohmios cuando se cortocircuitan los terminales. En
este caso, el voltímetro marca la caída de voltaje de la batería y si ajustamos la
resistencia variable, obtendremos el cero en la escala. Generalmente, estos
instrumentos se venden en forma de multímetro el cual es la combinación del
amperímetro, el voltímetro y el ohmímetro juntos. Los que se venden solos son
llamados medidores de aislamiento de resistencia y poseen una escala bastante
amplia.
2.5 Circuitos eléctricos
Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes
eléctricos o electrónicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores,
fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente
entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas o
eléctricas. Para analizar un circuito deben de conocerse los nombres de los
elementos que lo forman. A continuación se indican los nombres más comunes.
Conector: hilo conductor de resistencia
despreciable
(idealmente
cero)
que
une
eléctricamente dos o más elementos.
Generador o fuente: elemento que produce
electricidad. En el circuito de la figura 1 hay tres
fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y
E2.
Nodo: punto de un circuito donde concurren
varios conductores distintos.
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Antología de Física IV
__
En la figura se pueden ver cuatro nudos: A, B, D y E. Obsérvese que C no se ha
tenido en cuenta ya que es el mismo nodo A al no existir entre ellos diferencia de
potencial (VA - VC = 0).
Rama: conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos
nodos consecutivos. En la figura se hallan siete ramales: AB por la fuente, AB por R1,
AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede circular una corriente.
2.5.1 Conexiones en serie
28
Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al
conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma
corriente. El esquema de conexión de resistencias en serie se muestra así:
Resistencias conectadas en serie
La ecuación para calcular la resistencia equivalente en este tipo de conexión
es:
𝑹𝒆 = 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 + 𝑹𝟑 + ⋯ + 𝑹𝒏
2.5.2 Conexiones en paralelo
Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos
terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de
potencial, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión. Una conexión en
paralelo se muestra de la siguiente manera:
Resistencias conectadas en paralelo
La ecuación para calcular la resistencia equivalente en este tipo de conexión
es:
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𝟏
𝟏
𝟏
𝟏
𝟏
=
+
+
+⋯+
𝑹𝒆 𝑹𝟏 𝑹𝟐 𝑹𝟑
𝑹𝒏
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2.5.3 Conexiones mixtas
En una conexión serie paralelo se pueden encontrar conjuntos de resistencias
en serie con conjuntos de resistencias en paralelo, como se muestra a continuación:
29
Resistencias conectadas de manera mixta
2.5.4 FEM
La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una
diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una
corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador
eléctrico.
Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la
unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en
Coulombs de dicha carga.
Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por
el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario
realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para
transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al
cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).
2.6 Potencia eléctrica
Se define como la cantidad de trabajo (T) por unidad de tiempo (t) realizado
por una corriente eléctrica. Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia
eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales es el
producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de
corriente que pasa a través del dispositivo.
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Antología de Física IV
Esto es:
𝑷= 𝑽∙𝑰 =
𝑻
𝒕
Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del
voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en Watts. Igual
definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.
2.7 Leyes de Kirchhoff
30
Las leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Robert Kirchhoff
en 1845, mientras aún era estudiante, estas son la Ley de los nodos o ley de
corrientes y la Ley de las "mallas" o ley de tensiones. Son muy utilizadas en ingeniería
eléctrica para obtener los valores de intensidad de corriente y potencial en cada
punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de
la energía.
Ley de los nodos o ley de corrientes de Kirchhoff:
“En todo nudo, donde la densidad de la carga no
varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes
entrantes es igual a la suma de corrientes salientes”. Un
enunciado alternativo es:
“En todo nodo la suma algebraica de corrientes debe
ser 0 (cero)”
𝐼=0
Ley de las "mallas" o ley de tensiones de Kirchhoff:
“En toda malla la suma de todas las caídas de
tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión”.
Un enunciado alternativo es:
“En toda malla la suma algebraica de las diferencias
de potencial eléctrico debe ser 0”.
𝑉=0
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Unidad III
Magnetismo
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Antología de Física IV
Unidad III. Magnetismo.
3.1 Antecedentes históricos.
En física, el magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen
fuerzas de atracción o repulsión a otros materiales. Hay algunos materiales
conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente
como el níquel, hierro y sus aleaciones que comúnmente se llaman (imanes). Sin
embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la
presencia de un campo magnético.
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente,
innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en
diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse
en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña
dependiendo del número de electrones que estén orientados.
Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que
contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón
alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente
eléctrica circulando por una bobina. De nuevo, en general, el movimiento de los
electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas
condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético
total medible.
El comportamiento magnético de un material puede variar enormemente,
dependiendo de la estructura del material, y particularmente de la configuración
electrónica. Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos.
Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de "Magnesia" en Asia
Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y
que los trocitos de hierro atraídos, atraían a su vez a otros. Estas se denominaron
imanes naturales.
El primer filosofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto,
filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C. En China, la primera referencia a
este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado “Libro del
amo del valle del diablo”: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por
éste». La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo
realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».
El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética
y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del
norte absoluto.
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Antología de Física IV
Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente
como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el
primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica, en 1187.
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que
en 1820, Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague,
descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una
perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja
magnética situada en ese entorno.
Muchos otros experimentos siguieron, con André-Marie Ampère, Carl Friedrich
Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la
electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus
ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el
electromagnetismo. En 1905, Einstein uso estas leyes para comprobar su teoría de la
relatividad especial, en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo
estaban fundamentalmente vinculadas.
El electromagnetismo continuó desarrollándose en el siglo XX, siendo
incorporada en las teorías más fundamentales como la teoría de campo de gauge,
electrodinámica cuántica, teoría electrodébil y finalmente en el modelo estándar.
3.2 Propiedades y características de los imanes.
Los imanes pueden ser naturales o artificiales; o bien, permanentes o
temporales.
Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas. Tal es el caso de
la magnetita, que es un óxido de hierro (Fe 3O4).
Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha
comunicado la propiedad del magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un
imán natural o por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma
conveniente (electroimanación).
Un imán permanente está fabricado en acero imanado (hierro con un alto
contenido en carbono), lo que hace que conserve su poder magnético. Sin
embargo, una fuerte carga eléctrica, un impacto de gran magnitud, o la aplicación
de una elevada cantidad de calor, puede causar que el imán pierda su fuerza
actuante.
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Antología de Física IV
Un imán temporal pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que
provoca el magnetismo. Dichos imanes están fabricados en hierro dulce (con un
contenido muy bajo en carbono).
Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espira) por la que
circula corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético isomórfico al de un
imán de barra que imanta el metal. Un electroimán es un caso particular de un imán
temporal.
34
3.3 Comportamiento magnético de los materiales
Los materiales pueden comportarse de manera magnética de 3 formas
principalmente y son las que a continuación se analizan.
3.3.1 Ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos.
El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento
magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma
dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar
ferromagnetismo.
La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los
momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de
extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.
Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos,
separados por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos
dominios, todos los momentos magnéticos están alineados.
En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación
de dominios está compensada por la ganancia en entropía.
Hay muchos materiales cristalinos que presentan ferromagnetismo. En la tabla
adjunta se muestra una selección representativa de ellos, junto con sus temperaturas
de Curie, la temperatura por encima de la cual dejan de ser ferromagnéticos.
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Material
Temp. Curie
(K)
Fe
1043
Co
1388
Ni
627
Gd
292
Dy
88
MnAs
318
MnBi
630
MnSb
587
CrO2
386
35
MnOFe2O3 573
FeOFe2O3 858
NiOFe23
858
CuOFe2O3 728
MgOFe23
713
EuO
69
Y3Fe5O12
560
Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los
dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los
dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético
inductor aumentan su tamaño.
Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de
Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no
coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio
permanece durante cierto tiempo.
En física, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en
ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales
son atraídos por los imanes.
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Antología de Física IV
El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez
en septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de bismuto que era
repelido por un polo cualquiera de un imán; lo que indica que el campo externo del
imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto.
36
Levitación diamagnética
Los materiales diamagnéticos más comunes son: bismuto metálico, hidrógeno,
helio y los demás gases nobles, cloruro de sodio, cobre, oro, silicio, germanio, grafito,
bronce y azufre. Nótese de esta lista que no todos tienen número par de electrones.
El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín
u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos
magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será
ferromagnetismo o ferrimagnetismo.
Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos
magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo
tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está
contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse
aleatoriamente debido al movimiento térmico.
Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo
tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a
la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy
pequeña.
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En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre
cada momento magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales
ferromagnéticos, este comportamiento también puede observarse, pero sólo por
encima de su temperatura de Curie.
Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión
que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin
embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento
magnético, que ya no está favorecido energéticamente. Algunos materiales
paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.
3.4 Campo magnético
Un campo magnético existe en una región del espacio si una carga que se
mueve ahí experimenta una fuerza (diferente al rozamiento) debida a su
movimiento. Es común detectar la presencia de un campo magnético por el efecto
que produce sobre la aguja de una brújula. La aguja, en este caso, se alinea en la
dirección del campo magnético.
3.4.1 Densidad de flujo magnético.
La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo
magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es
igual a la intensidad del campo magnético.
B = φ/A
B = Densidad de flujo magnético [Tesla (T)]
φ = Flujo magnético [Webers (Wb)]
A = Área (m2)
La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla.
El campo de inducción, B, o densidad de flujo magnético (los tres nombres son
equivalentes) es incluso más importante en electromagnetismo que el propio campo
magnético H, y aparece en las ecuaciones de Maxwell con mayor relevancia que
este.
3.4.2 Magnetismo terrestre.
El origen del campo magnético terrestre permanece aún sin una explicación
definitiva, si bien la teoría comúnmente aceptada es la generación del campo
magnético por el Efecto Dínamo.
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Antología de Física IV
Esta teoría muestra como un fluido conductor en movimiento (como es el
magma terrestre) puede generar y mantener un campo magnético como el de la
Tierra.
Otra teoría que explica la causa del magnetismo terrestre es que la tierra
contiene una gran cantidad de depósitos de mineral de hierro, los cuales en tiempos
remotos se magnetizaron en forma gradual y prácticamente con la misma
orientación, por ello actúan como un enorme imán.
Una brújula apunta en la dirección Norte - Sur por tratarse de una aguja
imantada inmersa en el campo magnético terrestre, desde este punto de vista, la
Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales,
en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos.
El Polo Norte Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte
Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte
geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética.
La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo
actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Norte
magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el
norte de Alaska.
Líneas del campo magnético terrestre. Salen del polo norte magnético hacia el polo sur
El campo magnético de la Tierra varía en el curso de las eras geológicas, es lo
que se denomina variación secular. Según se ha comprobado por análisis de los
estratos al considerar que los átomos de hierro contenidos tienden a alinearse con el
campo magnético terrestre.
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La dirección del campo magnético queda registrada en la orientación de los
dominios magnéticos de las rocas y el ligero magnetismo resultante se puede medir.
Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos
geológicos distintos se elaboraron mapas del campo magnético terrestre en diversas
eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético
terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse.
Durante los últimos cinco millones de años se han efectuado más de veinte
inversiones, la más reciente hace 700.000 años. Otras inversiones ocurrieron hace
870.000 y 950.000 años. El estudio de los sedimentos del fondo del océano indica que
el campo estuvo prácticamente inactivo durante 10 o 20 mil años, hace poco más
de un millón de años. Esta es la época en la que surgieron los seres humanos.
No se puede predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la
secuencia no es regular. Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del
5% en la intensidad del campo magnético en los últimos 100 años. Si se mantiene
este ritmo el campo volverá a invertirse dentro de unos 2000 años.
3.4.3 Brújula.
La brújula es un instrumento que sirve de orientación, que tiene su fundamento
en la propiedad de las agujas magnéticas. Por medio de una aguja imantada
señala el Norte magnético, que es ligeramente diferente para cada zona del
planeta, y distinto del Norte geográfico.
Utiliza como medio de funcionamiento el magnetismo terrestre. La aguja
imantada indica la dirección del campo magnético terrestre, apuntando hacia los
polos norte y sur. Únicamente es inútil en las zonas polares norte y sur, debido a la
convergencia de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre.
Probablemente fue inventada en China, aproximadamente en el siglo IX, e
inicialmente consistía en una aguja imantada flotando en una vasija llena de agua.
Más adelante fue mejorada para reducir su tamaño e incrementar su practicidad,
cambiándose la vasija de agua por un eje rotatorio, y añadiéndose una "rosa de los
vientos" que sirve de guía para calcular direcciones.
Actualmente las brújulas han recibido pequeñas mejoras que, si bien no
cambian su sistema de funcionamiento, hacen más sencillas las mediciones a
realizar. Entre estas mejoras se encuentran sistemas de iluminación para toma de
datos en entornos oscuros, y sistemas ópticos para mediciones en las que las
referencias son objetos situados en la lejanía.
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En la actualidad, la brújula está siendo reemplazada por sistemas de
navegación más avanzados y completos, que brindan más información y precisión;
sin embargo, aún es muy popular en actividades que requieren alta movilidad o que
impiden, debido a su naturaleza, el acceso a energía eléctrica, de la cual
dependen los demás sistemas.
40
3.5 Ley de Coulomb (Magnetismo). Generalidades
La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb,
quien fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre
cargas eléctricas.
Henry Cavendish también obtuvo la relación inversa de la ley con la distancia,
aunque nunca publicó sus descubrimientos y no fue hasta 1879 cuando James Clerk
Maxwell los publicó. La ley puede expresarse como:
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos
cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la
magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa.
qq
F  k 1 22
d
en donde q1 y q2 corresponden a los valores de las cargas que interaccionan
tomadas con su signo positivo o negativo, d representa la distancia que las separa y
k es la constante de proporcionalidad correspondiente que depende del medio en
que se hallen dichas cargas.
La constante de proporcionalidad k toma en el vacío un valor igual a:
k = 9 x 109 Nm2/C2
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Por otro lado la constante de proporcionalidad en la ley de Coulomb, también
puede expresarse como k = (1/4πЄ0), donde Є0 es la permitividad del espacio vacío
y tiene un valor de Є0 = 8.85 x 10-12 C2/Nm2.
Sin embargo, para efectos de corrección según el medio en que estén
inmersas las cargas, podemos tomar en cuenta la siguiente igualdad Є = K Є0,
donde Є es la permitividad del medio donde se encuentren las cargas.
Limitaciones de la ley de Coulomb:


La expresión matemática solo es aplicable a cargas puntuales estacionarias.
La fuerza no está definida para r = 0.
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Unidad IV
Electromagnetismo
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Unidad IV. Electromagnetismo
4.1 Principios básicos y manifestaciones electromagnéticas
El electromagnetismo es una 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.
En 1820, el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el
magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía
una estrecha relación.
Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en
movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a
su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula.
Si cogemos un trozo de alambre de cobre desnudo, recubierto con barniz
aislante y lo enrollamos en forma de espiral, habremos creado un solenoide con
núcleo de aire. Si a ese solenoide le aplicamos una tensión o voltaje, desde el mismo
momento que la corriente comienza a fluir por las espiras del alambre de cobre,
creará un campo magnético más intenso que el que se origina en el conductor
normal de un circuito eléctrico cualquiera cuando se encuentra extendido, sin
formar espiras.
Fig. 4.1-1. Bobina solenoide con núcleo de aire construida con alambre desnudo de cobre enrollado
en forma de espiral y protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos corriente
eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz, como una batería, por ejemplo, el
flujo de la corriente que circulará a través de la bobina propiciará la aparición de un campo
magnético de cierta intensidad a su alrededor.
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Antología de Física IV
Después, si a esa misma bobina con núcleo de aire le introducimos un trozo de
metal como el hierro, ese núcleo, ahora metálico, provocará que se intensifique el
campo magnético y actuará como un imán eléctrico (o electroimán), con el que se
podrán atraer diferentes objetos metálicos durante todo el tiempo que la corriente
eléctrica se mantenga circulando por las espiras del enrollado de alambre de cobre.
44
Fig. 4.1-2. Bobina solenoide a la que se le ha introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si
comparamos la bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de esta ilustración, veremos que
ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más intensificadas al haberse
convertido en un electroimán.
Cuando el flujo de corriente eléctrica que circula a través del enrollado de
cobre cesa, el magnetismo deberá desaparecer de inmediato, así como el efecto
de atracción magnética que ejerce el núcleo de hierro sobre otros metales.
Esto no siempre sucede así, porque depende en gran medida de las
características del metal de hierro que se haya empleado como núcleo del
electroimán, pues en algunos casos queda lo que se denomina "magnetismo
remanente" por un tiempo más o menos prolongado después de haberse
interrumpido totalmente el suministro de corriente eléctrica.
4.2 Introducción electromagnética
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y
predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes
de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los
fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en
reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus
efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.
Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy
grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el
electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que
es necesario usar la Mecánica Cuántica.
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Antología de Física IV
En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de la mecánica
cuántica, el electromagnetismo tenía que mejorar su formulación con el objetivo
que sea coherente con la nueva teoría. Esto se logró en la década de 1940 cuando
se completó una teoría cuántica electromagnética o mejor conocida como
electrodinámica cuántica.
El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas
fundamentales del universo actualmente conocido.
4.2.1 Intensidad del campo magnético
45
Para un medio dado, el vector intensidad del campo magnético, es el
cociente que resulta de la densidad del flujo magnético entre la permeabilidad
magnética del medio.
𝑯=
𝑩
𝝁
por lo tanto: B =H· μ
Donde:
H = Intensidad del campo magnético para un medio dado, en ampere/metro (A/m).
B = Densidad del flujo magnético, se expresa en teslas (T).
μ = Permeabilidad del medio magnético su unidad es el tesla metro/ampere.
(T/m/A).
4.2.2 Densidad de flujo magnético
El concepto expresado por Faraday acerca de las líneas de fuerza, es
imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus
efectos. Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético Φ en el
sistema CGS y recibe el nombre de maxwell.
Sin embargo, esta unidad es muy pequeña de flujo magnético, por lo que en
el Sistema Internacional se emplea una unidad mucho mayor llamada weber y cuya
equivalencia es la siguiente:
1 weber= 1x 108 maxwells
1 maxwell= 1 x 10-8 webers
Un flujo magnético Φ que atraviesa perpendicularmente una unidad de área
A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética B.
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Por definición: densidad del flujo magnético en una región de un campo
magnético equivale al número de líneas de fuerza, o sea el flujo magnético que
atraviesan perpendicularmente a la unidad de área.
Matemáticamente se expresa:
𝑩=
Donde:
𝝓
𝑨
B = Densidad del flujo magnético se mide en weber/m 2.
Φ = Flujo magnético en webers (wb).
A = Área sobre la que actúa el flujo magnético, se expresa en metros cuadrados.
(m2).
4.2.3 Ley de Lenz
Los estudios sobre inducción electromagnética, realizados por Michael
Faraday nos indican que en un conductor que se mueva cortando las líneas de
fuerza de un campo magnético se produciría una fuerza electromotríz (FEM)
inducida y si se tratase de un circuito cerrado se produciría una corriente inducida.
Lo mismo sucedería si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable.
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes
inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético
que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la
energía.
La polaridad de una FEM inducida es tal, que tiende a producir una corriente,
cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente
producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través
de un circuito plano viene dado por:
𝛟 = 𝐁 · 𝐒 · 𝐂𝐨𝐬𝛂
donde:
Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).
B = Inducción electromagnética. La unidad en el SI es el tesla (T).
S = Superficie del conductor.
α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.
Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
𝐝𝛟 = 𝐁 · 𝐝𝐒 · 𝐂𝐨𝐬𝛂
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En este caso la Ley de Faraday afirma que la FEM inducida en cada instante
tiene por valor:
𝐝𝛟
𝑬=−
𝐝𝐭
El signo '-' de la expresión anterior indica que la FEM inducida se opone a la
variación del flujo que la produce. Este signo corresponde a la ley de Lenz.
Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la
formuló en el año 1834.
4.2.4 Ley de Faraday
La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es
directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo
atraviesa.
La inducción electromagnética fue descubierta casi simultáneamente y de
forma independiente por Michael Faraday y Joseph Henry en 1830. La inducción
electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del
generador eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.
Supongamos que se coloca un conductor eléctrico en forma de circuito en
una región en la que hay un campo magnético. Si el flujo F a través del circuito varía
con el tiempo, se puede observar una corriente en el circuito (mientras el flujo está
variando). Midiendo la fem inducida se encuentra que depende de la rapidez de
variación del flujo del campo magnético con el tiempo.
4.3 Inductancia
La inductancia se define como la oposición de un elemento conductor (una
bobina) a cambios en la corriente que circula a través de ella.
También se puede definir como la relación que hay entre el flujo magnético
(Φb) y la corriente que fluye a través de una bobina.
El valor de la inductancia viene dado exclusivamente por las características
de la bobina y por la permeabilidad magnética (μ) del medio en el que se localiza,
Se mide en henrios. (L) y se define matemáticamente así:
𝑳=
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𝝓𝒃
𝒊
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Desgraciadamente, esta definición es de poca utilidad porque es difícil medir
el flujo abrazado por un conductor. En cambio se pueden medir las variaciones del
flujo y eso sólo a través del voltaje V inducido en el conductor por la variación del
flujo.
Con ello llegamos a una definición de inductancia equivalente pero hecha a
base de cantidades que se pueden medir, esto es, la corriente, el tiempo y la
tensión.
4.4 Solenoides y bobinas
48
Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta
con un hilo de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la
corriente eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este campo
magnético aparece comienza a operar como un imán.
La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo
nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos
de su apertura y de su cierre.
Por lo general, este tipo de dispositivo se puede programar según ciertos
horarios y dentro de sus usos más comunes se encuentran los sistemas de regulación
hidráulica y neumática. Dentro de este último campo, es frecuente utilizarlo para
permitir el flujo o realizar la detención de corrientes de alto amperaje en los motores
de arranque. Debido a su funcionamiento, es posible encontrar solenoides en varias
partes de un motor, no sólo en el motor de arranque.
Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que,
debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo
magnético.
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Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una
bobina de material conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado.
Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para
incrementar su capacidad de magnetismo entre la Intensidad (inductancia).
Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados,
usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se
usa, comúnmente, el aluminio como material conductor.
Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos
integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante
un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese
un inductor.
El inductor consta de las siguientes partes:
Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el
entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.
Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo
magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que
bordea al entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto
o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las
máquinas de mediana y gran potencia.
Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por
devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.
También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para
frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o
granulado.
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4.5 Motores, generadores y transformadores
Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica
en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los
motores eléctricos son reversibles, es decir, pueden transformar energía mecánica en
energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de
tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa
con frenos regenerativos.
Los motores de corriente alterna y los motores de corriente directa se basan en
el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el
cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo
magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del
campo magnético.
El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente
eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades
magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el
estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.
Partiendo del hecho que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se
produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un
campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos
magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía
mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo
llamado flecha.
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Antología de Física IV
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Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia
de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes.
Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía
mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo
magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura
(denominada también estator).
Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y
el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).
Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios. Son
generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra
naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que los
secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido
previamente.
Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o
disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna,
manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un
transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida.
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Antología de Física IV
Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas,
dependiendo de su diseño, tamaño, etc.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas
devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o
devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada
o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores
con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor
tensión que el secundario.
Bibliografía.
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6th Edition; 2004.
2. R. Resnik, D. Halliday, K. S. Krane; FÍSICA VOL. 1; 4a. edición; 2001.
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INTERNET; Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial de Eibar.
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