Fundamentos de Electrotecnia en Abierto

Este vídeo divulgativo muestra cómo las magnitudes típicas de teoría de circuitos (tensión y corriente) están íntimamente relacionadas con los campos eléctricos (creados por la acumulación o defecto de electrones y por un campo magnético cambiante) y magnéticos (creados por el movimiento de las cargas y por un campo eléctrico cambiante).

En otras palabras, la tensión y la corriente son consecuencia de los campos electromagnéticos que se propagan a la velocidad de la luz.

La tensión entre dos puntos es el campo eléctrico integrado entre dichos puntos:

$$V_\text{AB}= -\int_{B}^{A} \vec{\text{E}} \,d\vec{\ell}\  $$

Por ello, la tensión coincide con la diferencia de potencial electrostático cuando no hay inducción electromagnética.

En los circuitos analizados en Fundamentos de Electrotecnia se cumplen las Leyes de Kirchhoff porque no hay inducción fuera de bobinas y transformadores y tampoco hay acumulación de carga (efecto capacitivo) fuera de los condensadores. Además, sólo hay efectos resistivos en las resistencias. Todas estas condiciones simplifican mucho el análisis de circuitos: en los circuitos que se estudian en Electrotecnia, los efectos electromagnéticos pueden obviarse (salvo en bobinas, transformadores y condensadores).

Sin embargo, en circuitos de telecomunicaciones (e informática), la tensión y la corriente varían tan rápidamente que hay que considerar los efectos electrodinámicos debidos a la limitada velocidad de propagación de los campos electromagnéticos a lo largo de pistas y cables.

Estos efectos fueron desastrosos en el primer cable telegráfico transatlántico (que unió Irlanda con Terranova en 1858). Era necesario transferir gran cantidad de carga eléctrica para que en el otro extremo (a 3.200 km) se estableciera suficiente diferencia de potencial (tensión) para ser detectada con los instrumentos de la época. El núcleo del cable estaba aislado de la gruesa cubierta protectora de acero y ambos se comportaban como los dos electrodos de un gran condensador con significativa resistencia. Cuando en un extremo se conectaba una fuente, empezaba a circular carga por el cable y subía la tensión en ese extremo. La cubierta del cable (constituida por muchas toneladas de acero) se magnetizaba debido al movimiento de las cargas y ambos efectos (campo eléctrico y campo magnético) interaccionaban. Estos efectos ondulatorios enlentecieron y dificultaron la detección del código morse recibido en el extremo receptor del primer cable telegráfico transatlántico.

Imagen: Una onda viajando por una línea de transmisión ideal. Los puntos negros representan electrones y las flechas rojas representan el campo eléctrico. Fuente: Steven Byrnes, 2016.

En Física II se ve que los campos eléctricos y magnéticos contienen energía y el Teorema de Poynting indica que la transferencia de energía se debe a dos causas. La potencia transferida por el movimiento de cargas dentro de un campo eléctrico es lo que se estudia en esta asignatura. Pero la variación de los campos electromagnéticos también produce una transferencia de energía. La dirección en que se transfiere la energía (desde los generadores hacia las cargas) debido a la variación de los campos electromagnéticos se puede obtener multiplicando vectorialmente el campo eléctrico $$\overrightarrow{\text{E}}$$ y la intensidad de campo magnético ($$\overrightarrow{\text{H}}  \overset{vacio}{=} \frac{\overrightarrow{\text{B}}}{\mu_0} $$). El vector resultante se denomina vector de Poynting y se designa con la letra S:

$$ \overrightarrow{\text{S} } = \overrightarrow{\text{E}} \times \overrightarrow{\text{H}} \overset{vacio}{=} \frac{1}{\mu_0}  \overrightarrow{\text{E}} \times \overrightarrow{\text{B}} $$