Tema 6. Nociones de electromagnetismo
Nociones de Electromagnetismo
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que determina su interacción con los campos eléctricos y magnéticos. Existen dos tipos de carga, positiva y negativa, y las interacciones entre cargas del mismo tipo resultan en fuerzas repulsivas, mientras que cargas de tipo distinto se atraen.
Un campo electrostático es una perturbación del espacio generada por cargas eléctricas estáticas que ejerce una fuerza o influencia sobre objetos cargados eléctricamente dentro de él. Por otro lado, el campo magnético es generado por cargas en movimiento y ejerce fuerzas magnéticas sobre otras cargas en movimiento. Esta relación entre electricidad y magnetismo fue formalizada en las ecuaciones de Maxwell, que unifican los fenómenos eléctricos y magnéticos en un marco teórico coherente.
Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb es uno de los principios fundamentales del electromagnetismo y describe la fuerza eléctrica entre dos cargas eléctricas puntuales. Fue formulada por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb en el siglo XVIII. Esta ley establece que la fuerza eléctrica entre dos cargas es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Matemáticamente, la Ley de Coulomb se expresa como:
\[\overrightarrow{F}={{k}_{e}}\cdot
\frac{\left( {{q}_{1}}\cdot {{q}_{2}} \right)}{{{r}_{12}^{2}}}\cdot
{{\hat{r}}_{12}}\]
donde F es el vector de la fuerza eléctrica, q1 y q2 son las magnitudes de las cargas, r es la distancia entre las cargas, ke es la constante electrostática que depende del medio en el que se encuentran las cargas y es el vector unitario que une los puntos 1 y 2 y que marca la dirección de la fuerza. En el vacío, ke tiene un valor de aproximadamente 8.99∙109 N·m²/C².
La unidad de las cargas eléctricas es el Culombio (C), la distancia se mide en metros (m) y la fuerza eléctrica en newtons (N).
Figura 1. Representación de la fuerza eléctrica entre dos cargas
Campo eléctrico
El campo eléctrico es una propiedad del espacio que rodea a una carga eléctrica y ejerce fuerzas sobre otras cargas situadas en ese espacio. Se representa como un vector que indica la dirección y magnitud de la fuerza eléctrica que actuaría sobre una carga positiva unidad colocada en ese punto.
\[\overrightarrow{F}=q\cdot
\overrightarrow{E}\]
El campo eléctrico generado por una carga puntual es radial, y apunta hacia afuera desde una carga positiva y hacia adentro con una carga negativa. La magnitud del campo eléctrico en un punto específico está determinada por la cantidad de carga que lo genera y la distancia desde esa carga.
\[\overrightarrow{E}={{k}_{e}}\cdot
\frac{q}{{{r}^{2}}}\cdot \hat{r}\]
El campo eléctrico es conservativo, lo que implica que el trabajo realizado por una fuerza eléctrica para mover una carga a lo largo de una trayectoria cerrada es cero. Esto significa que la energía potencial eléctrica de una carga en un campo eléctrico depende solo de su posición y no del camino seguido para llegar allí.
Figura 2. Representación de las lineas de campo generadas entre dos cargas de signo opuesto.
Energía potencial eléctrica
La energía potencial eléctrica se define como la energía que posee una carga eléctrica debido a su posición en el seno de un campo eléctrico. Se puede describir como el trabajo necesario para mover una carga positiva desde un punto de referencia (generalmente considerado a una distancia infinita) hasta el punto en cuestión, sin producir aceleración. Este trabajo se realiza contra las fuerzas eléctricas presentes y es independiente del camino tomado.
\[{{E}_{p}}={{k}_{e}}\cdot
\frac{\left( {{q}_{1}}\cdot {{q}_{2}} \right)}{r}\]
Potencial eléctrico
El potencial eléctrico es una medida de la capacidad que tiene un campo eléctrico para realizar trabajo sobre una carga eléctrica. Es la energía potencial por unidad de carga en un punto específico en el campo eléctrico.
\[V={{k}_{e}}\cdot
\frac{q}{r}\]
El potencial electrostático se mide en voltios (V) y es una propiedad escalar, lo que significa que no tiene dirección, a diferencia del campo eléctrico que es un vector y tiene tanto magnitud como dirección. Un concepto relacionado es la diferencia de potencial, comúnmente llamada voltaje, que es la diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos. Este voltaje es lo que impulsa la corriente eléctrica a través de un circuito.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica se define como el flujo de carga eléctrica a través de un material. Esta corriente se produce cuando hay una diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos de un circuito eléctrico, lo que impulsa a los electrones a moverse de un punto a otro. En términos más técnicos, la corriente es el resultado del movimiento de electrones libres en los materiales conductores, y su dirección convencional es del polo positivo al negativo, aunque en realidad los electrones se mueven en la dirección opuesta.
La intensidad de la corriente eléctrica, medida en amperios (A), indica cuánta carga pasa por un punto del circuito en un segundo.
Figura 3. Representación del flujo de cargas dando lugar a la corriente en un circuito
Conductores y aislantes
Los conductores son materiales que permiten que las cargas eléctricas se muevan a través de ellos con relativa facilidad. Esto se debe a que los electrones en los átomos de un conductor están débilmente unidos a sus núcleos y pueden moverse libremente bajo la influencia de un campo eléctrico. Ejemplos comunes de conductores incluyen metales como el cobre y el aluminio. Debido a su capacidad para conducir la electricidad, los conductores se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, circuitos impresos y otros componentes electrónicos.
Por otro lado, los aislantes eléctricos son materiales que no permiten el flujo libre de cargas eléctricas a través de ellos. Esto se debe a que los electrones en los átomos de un aislante están firmemente unidos a sus núcleos y no pueden moverse fácilmente. Ejemplos comunes de aislantes incluyen plásticos, vidrio y madera. Los aislantes se utilizan para proteger contra descargas eléctricas, ya que evitan que la corriente fluya a través de ellos, y también se utilizan en la fabricación de cables recubiertos y aislamientos para cables eléctricos.
Ley de Ohm
Un circuito eléctrico es un sistema cerrado por el que puede fluir la corriente eléctrica, compuesto por fuentes de energía como baterías, conductores como cables, y otros componentes como resistencias. En el estudio de estos circuitos, la Ley de Ohm establece la relación que existe entre la corriente que atraviesa una resistencia, la diferencia de potencial entre sus extremos y el valor de dicha resistencia. Esta ley, nombrada en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, quien la formuló en 1827, nos sirve para entender cómo funciona la electricidad en dichos circuitos.
Figura
4. Representación simbólica de un circuito eléctrico.
Según la Ley de Ohm, la corriente que fluye a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje a través de los puntos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Esto se expresa matemáticamente con la fórmula:
\[V=I\cdot
R\]
donde V es el voltaje entre sus extremos, I es la corriente y R es la resistencia.
Esta relación nos permite calcular uno de estos tres valores si conocemos los otros dos, facilitando así el diseño y análisis de circuitos eléctricos. Por ejemplo, si aumentamos el voltaje en un circuito manteniendo constante la resistencia, la corriente aumentará proporcionalmente.
Figura 5. Representación de la relación entre las distintas magnitudes en la ley de Ohm
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