Electricidad y Magnetismo Campos electromagnéticos

1. Electricidad y Magnetismo Campos electromagnéticos Introducción Cargas eléctricas Campo eléctrico Campo magnético Campo electromagnético Joan Ligarreto O. G11 NL16

2. Introducción • El concepto de campo Surge ante la necesidad de explicar como interactúan las partículas en ausencia de contacto físico y medios materiales para influir entre ellas (acción a distancia), interacción que se explica mediante los efectos provocados por la entidad causante de la interacción, sobre el espacio que la rodea, permitiendo asignar a dicho espacio propiedades medibles. • Figura 1: El concepto de campo facilita la comprensión de la acción a distancia en la interacción de una o más partículas

3. Introducción • Campos de fuerzas en física clásica Los campos más conocidos en física clásica son: Campo gravitatorio: Es el que hace referencia a la fuerza de gravedad y a las leyes que se rigen por las interacciones entre todo objeto que experimenta esta fuerza en las cercanías de un planeta o satélite, ya sea con una visión newtoniana o relativista. Campo electromagnético: Que se puede descomponer en dos campos sumamente importantes para describir los fenómenos físicos que actúan en las partículas con carga eléctrica: el campo eléctrico y el campo magnético. Figura 3: Campo gravitatorio Figura 2: Campos magnético y eléctrico

4. Cargas eléctricas • Propiedades de las cargas eléctricas • En la naturaleza existen 2 tipos de cargas eléctricas: Positivas: Constituido por los cuerpos cuyo comportamiento es igual al de una barra de vidrio que se frota con seda. Negativas: Constituido por los cuerpos que se comportan como una barra de goma (o resina) frotada con un trozo de tela de lana. • Los cuerpos electrizados cuya carga o electricidad es de signo contrario se atraen, y los que tienen electricidad de la misma carga se repelen. Figura 4: Interacción entre cargas eléctricas

5. Campo eléctrico • Es el campo de fuerza que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. • Siendo F la magnitud de la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga de prueba q colocada en un punto del espacio, el vector campo eléctrico E en tal punto tiene una intensidad que se obtiene por la relación • Las líneas de fuerza que describen el campo de una carga puntual positiva y negativa respectivamente son Figura 5: Línea de fuerza del campo eléctrico descrito por una carga puntual positiva y negativa

6. Campo eléctrico • Las líneas de fuerza del campo eléctrico producido por dos cargas del mismo signo, salen de las cargas y se van al infinito sin llegar hasta la otra carga si ambas son positivas, o bien llegan del infinito si ambas son negativas (dipolo eléctrico), mientras que las líneas de fuerza del campo eléctrico producido por dos cargas de signo contrario salen de la carga positiva y entran a la carga negativa. • Dos placas planas y paralelas, electrizadas uniformemente con cargas de signos contrarios, crean un campo uniforme en el espacio que hay entre ellas y por fuera de ellas se empieza a comportar como un dipolo eléctrico. Figura 7: Línea de fuerza del campo eléctrico entre dos placas paralelas electrizadas uniformemente Figura 6: Líneas de fuerza del campo eléctrico producido por dos cargas de signos contrarios y por dos cargas de signos iguales respectivamente

7. Campo eléctrico • Algunas fórmulas importantes: La ley de Coulomb describe la fuerza entre dos cargas electrizadas separadas una distancia r • El campo eléctrico generado por una carga electrizada en el espacio está dado por • El flujo es una propiedad importante de un campo eléctrico Φ y se obtiene de la siguiente manera (Ley de Gauss) Donde es la constante de permitividad y la integral cerrada es la superficie de la que deseamos obtener el flujo.

8. Campo magnético • Es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a cierta velocidad, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo. • El campo que representa esta región del espacio tiene propiedades muy particulares, tales como el fenómeno físico de que ciertos materiales se atraigan o se repelan y el hecho de que no existen monopolos magnéticos . Figura 8: Líneas del campo magnético terrestre; el norte magnético queda cerca del sur geográfico y viceversa

9. Campo magnético • Polos de un imán • Si tomamos un imán en forma de barra y distribuimos limaduras de fierro sobre él, notaremos que se acumulan en los extremos de la barra, que denominaremos polos. • El polo norte de un imán es aquel de sus extremos que, cuando el imán puede girar libremente, apunta hacia en norte geográfico de la tierra. El extremo que apunta hacia el sur geográfico terrestre es el polo sur del imán. • Los polos magnéticos del mismo nombre se repelen, y los de nombre contrario se atraen. Figura 10: Atracción o repulsión de polos magnéticos Figura 9: Líneas del dipolo magnético

10. . Campo magnético • Campo magnético producido por una carga puntual • El campo magnético generado por una única carga en movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a partir de la siguiente expresión: • Siendo . • Todo campo eléctrico lleva consigo un campo magnético asociado, el cual se genera circularmente en un plano perpendicular a la corriente (Independientemente de que la carga en movimiento sea positiva o negativa, en el eje por donde circula la corriente nunca aparece campo magnético; sin embargo, en los puntos exteriores el campo magnético invierte su sentido dependiendo de si la carga es positiva o negativa, cuyo sentido viene dado por la ley de la mano derecha. Figura 11: Campo magnético B asociado a una corriente I perpendicular a este campo.

11. Campo electromagnético • El físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) observó que las electricidad y el magnetismo eran conceptos íntimamente relacionados. Sus observaciones acerca de la inducción magnética debido a una corriente eléctrica y la aparición de una corriente eléctrica por un campo magnético asociado valieron para el desarrollo de lo que hoy se conoce como la teoría electromagnética clásica, la cual fue desarrollada por medio de cuatro ecuaciones fundamentales denominadas ecuaciones de Maxwell en honor a ese físico que logró reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. James Clerk Maxwell

12. Campo electromagnético • El campo electromagnético se encuentra regido por las ecuaciones de Maxwell: Forma integral Forma diferencial

13. Campo electromagnético • 1.Ley de Gauss para el campo eléctrico • Esta ley explica la relación entre el flujo de campo eléctrico (Líneas de fuerza que atraviesan una superficie) y una superficie cerrada. Figura 13: Líneas de campo eléctrico uniforme que atraviesan un área perpendicular al campo y diferencial d campo ds Figura 12: Flujo eléctrico de una carga puntual en una superficie cerrada

14. Campo electromagnético • 2. Ley de Gauss para el campo magnético • La ley de Gauss para el campo magnético establece que no existen monopolos magnéticos, estableciendo así que las líneas de campo magnético deben ser cerradas, es decir que estas deben partir y llegar al mismo punto como es el caso del dipolo magnético. Donde el flujo saliente en el polo norte es siempre compensado por el flujo entrante en el polo sur. Figura 14: Dipolo magnético, se observa que las líneas de campo que salen del polo norte llegan todas al polo sur

15. Campo electromagnético • 3. Ley de Faraday-Henry • Esta ley trata sobre la inducción electromagnética, la cual origina la fuerza electromotriz o f.e.m. en un campo magnético determinado. Su nombre se debe a que tanto Henry Lenz como Faraday descubrieron ésta inducción de manera separada pero casi simultánea. Esta ley se puede deducir teniendo en cuenta que si tenemos un campo magnético variable con el tiempo, se genera un campo eléctrico capaz de inducir una fuerza electromotriz igual a menos la derivada del flujo magnético con respecto al tiempo e igual a la integral cerrada del campo eléctrico asociado con respecto a un diferencial de dl. Figura 15: La f.e.m. es la causante de la corriente eléctrica y la energía eléctrica de esta se emplea en hacer que los electrones se muevan

16. Campo electromagnético • 4. Ley de Ampere generalizada • Donde es la permeabilidad magnética en el vacio. • La Ley de Ampere indica que la circulación en un campo magnético ( ) a lo largo de una curva cerrada es igual a la densidad de corriente ( ) sobre la superficie encerrada en dicha curva Figura 16: Campo magnético B asociado a una corriente I perpendicular al plano donde se observa este campo circularmente.

17. Campo electromagnético • Campo electromagnético terrestre • Diariamente se dirigen hacia la tierra chorros gigantescos de electrones y protones los cuales conforman una corriente eléctrica que es desviada por el campo magnético de la tierra siguiendo la ley de la mano derecha, desviando los protones hacia el oriente y los electrones hacia el occidente. Figura 17: la cantidad de cargas enviadas por el sol son desviadas por el campo magnético terrestre.

18. Campo electromagnético • Relatividad eléctrica y magnética • Fijado un sistema de referencia podemos descomponer el campo electromagnético en una parte eléctrica y en una parte magnética. Sin embargo, un observador en movimiento relativo respecto a la acción de estos campos como sistema de referencia medirá efectos eléctricos y magnéticos diferentes, lo cual ilustra la relatividad de la parte eléctrica y magnética para un campo electromagnético.

19. Bibliografía • http://www.solociencia.com/fisica/carga-electrica-como-define-campo-electrico.htm. Introducción al campo eléctrico. • http://www.acienciasgalilei.com/videos/3electricidad-mag.htm. Magnetismo. • http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/physical_science/magnetism/sw_e_and_m.sp.html. Acerca de la electricidad y magnetismo. • http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo.Teoría electromagnética. • http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico. Campo magnético. • http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://escuadrondelaverdad.files.wordpress.com/2009/06/campo-magnetico. Campo magnético terrestre.

20. Bibliografía • http://vonneumannmachine.wordpress.com/2009/02/07/la-nocion-de-campo-ha-de-sustituir-a-la-de-materia-o-en-contra-del-materialismo-iii/ . La noción de campo. • Antonio Máximo - Beatriz Alvarenga. Física general con experimentos sencillos. Editorial Oxford. Decimocuarta edición. Enero de 2006. • http://www.cuentame.org/quieroser/trabajos/c-electr/camele.htm .Líneas de campo eléctrico. • P. A. Tipler. Física II, Reverté, Barcelona, 1984. C. G. Bollini y J. J. Giambiagi. Tercera edición. Páginas 762- 798. • http://www.historiasdelaciencia.com/?p=162. Ecuaciones de Maxwell. • http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:Vg3ujgOqXzgJ:www.monografias.com/trabajos26/electromagnetismo/electromagnetismo.shtml+De+los+fen%C3%B3menos+el%C3%A9ctricos+y+magn%C3%A9ticos+previos+a+las+leyes+f%C3%ADsicas+representadas+por+la+...+lo&cd=1&hl=es&ct=clnk&gl=co. Relatividad asociada a los campos electromagnéticos.