Unidad IV Fisica
Unidad IV Fisica
Unidad IV Fisica
Corriente eléctrica:
La corriente eléctrica es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que
se encuentran a distinto potencial eléctrico.
Tal y como estudiamos en el apartado del movimiento de cargas en el seno de un campo
eléctrico, los electrones se mueven desde zonas de menor potencial eléctrico a mayor
potencial eléctrico. A medida que los electrones se desplazan, el potencial en ambas
zonas tiende a igualarse y poco a poco el movimiento de los electrones se detiene. Por
esta razón, si deseamos mantener una corriente eléctrica constante es necesario hacer
uso de un dispositivo que permita una diferencia de potencial o tensión constante
denominado generador de corriente.
La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre
un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el
Sistema Internacional de Unidades se expresa en C·s-1 (culombios sobre segundo),
unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un
movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el
electroimán.
I=V/R
Esta expresión toma una forma más formal cuando se analizan las ecuaciones de
Maxwell, sin embargo puede ser una buena aproximación para el análisis de circuitos
de corriente continua.
Voltaje
Es la diferencia de potencial que existe entre dos puntos de un conductor para que la
corriente sea de 1 amperio y la potencia disipada de 1 voltio.
Resistencia
Corriente alterna
La eléctrica que invierte periódicamente el sentido de su movimiento con una
determinada frecuencia.
Corriente continúa
Es la corriente eléctrica que fluye
siempre en el mismo sentido. El flujo
de una corriente continua está
determinado por tres magnitudes
relacionadas entre sí. La primera es
la diferencia de potencial en el
circuito, que en ocasiones se
denomina fuerza electromotriz,
tensión o voltaje. La segunda es la
intensidad de corriente. Esta
magnitud se mide en amperios; 1
amperio corresponde al paso de
unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada
del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las
sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una
corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente.
Para medir la intensidad de la corriente se utiliza el amperímetro. Éste se instala siempre
en un circuito de manera que por él circule toda la corriente, es decir, en serie.
INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
Si sabemos que la corriente eléctrica es el flujo de carga entre dos puntos de un material
conductor, es lógico que nos podamos preguntar... ¿y cómo de rápido se desplazan
dichas cargas? Para responder a esta pregunta, la Física establece una nueva magnitud
que determina la rapidez con la que la carga fluye a través de un conductor. Dicha
magnitud recibe el nombre de intensidad de corriente eléctrica o
simplemente intensidad de corriente.
La intensidad de corriente en el S.I. es el amperio (A), en honor del físico francés André-
Marie Ampère (1775-1836). De esta forma un amperio es la intensidad de corriente que
se produce cuando por la sección de un conductor circula una carga de un culombio
cada segundo.
Al igual que el culombio, el amperio es de una unidad muy grande, por lo que es común
utilizar submúltiplos de esta:
Solución
Datos
I = 30 mA = 30 · 10-3 A
t = 2 min = 2 · 60 s = 120 s
Resolución
R=ρ*L/A
Características de conductores:
Los conductores eléctricos o materiales conductores son aquellos que tienen poca
resistencia a la circulación de la corriente eléctrica, dadas sus propiedades específicas.
La estructura atómica de los conductores eléctricos facilita el movimiento de los
electrones a través de estos, con lo cual este tipo de elementos favorece la transmisión
de electricidad.
Los conductores pueden presentarse de diversas formas, una de estas es el material en
condiciones físicas específicas, como barras de metal (cabillas) que no hayan sido
elaboradas para formar parte de circuitos eléctricos. A pesar de no formar parte de un
montaje eléctrico, estos materiales siempre mantienen sus propiedades de conducción.
También existen los conductores eléctricos unipolares o multipolares, los cuales son
Características
Características eléctricas
Conductividad buena
Los conductores eléctricos deben tener una conductividad eléctrica buena para cumplir
con su función de transporte de energía eléctrica.
La Comisión Electrotécnica Internacional determinó a mediados de 1913 que la
conductividad eléctrica del cobre en estado puro podía servir de referencia para medir y
comparar la conductividad de otros materiales conductores.
Núcleos unidos
La estructura molecular de los conductores está conformada por una red de núcleos
muy unida, la cual se mantiene prácticamente inmóvil debido a su cohesión.
Esto hace propicio el movimiento de los electrones que se encuentran alejados dentro
de la molécula, ya que estos se movilizan libremente y reaccionan ante la cercanía de
un campo eléctrico.
Dicha reacción induce el movimiento de los electrones en una dirección específica, con
lo cual se da pie a la circulación de corriente eléctrica pasando por el material conductor.
Equilibrio electróstatico
Las cargas positivas se aglomeran en un extremo del material y las cargas negativas se
acumulan en el extremo opuesto. El desplazamiento de las cargas hacia la superficie
del conductor genera la presencia de campos eléctricos iguales y opuestos en el interior
del conductor. Así, el campo eléctrico interno total dentro del material es nulo.
Características físicas
Maleables
Los conductores eléctricos deben ser maleables; es decir, deben ser capaces de
deformarse sin romperse.
Resistentes
Estos materiales deben ser resistentes al desgaste, para soportar las condiciones de
estrés mecánico a las que suelen estar sometidos, aunadas a las temperaturas elevadas
debido a la circulación de la corriente.
Capa aislante
Al ser empleados en una aplicación residencial, industrial o como parte del sistema
interconectado de suministro eléctrico, los conductores deben estar siempre recubiertos
por una capa aislante adecuada.
Esta capa externa, también conocida como chaqueta aislante, es necesaria para evitar
que la corriente eléctrica que circula a través del conductor esté en contacto con las
personas u objetos que se encuentran alrededor.
No obstante, existe otro tipo de materiales o soluciones que tienen buenas propiedades
de conducción eléctricas, como el grafito o las soluciones salinas.
Conductores metálicos
Este grupo está conformado por los metales sólidos y sus respectivas aleaciones.
Los conductores metálicos deben su alta conductividad a las nubes de electrones libres
que favorecen la circulación de corriente eléctrica a través de estos. Los metales ceden
los electrones ubicados en la última órbita de sus átomos sin invertir mayores cantidades
de energía, lo cual hace propicio el salto de electrones de un átomo a otro.
Por su parte, las aleaciones se caracterizan por tener una alta resistividad; es decir,
presentan una resistencia proporcional a la longitud y diámetro del conductor.
Las aleaciones más empleadas en instalaciones eléctricas son el latón, una aleación de
cobre y zinc; la hojalata, una aleación de hierro y estaño; aleaciones de cobre y níquel;
y aleaciones de cromo y níquel.
Conductores electrolíticos
Se trata de soluciones constituidas por iones libres, que ayudan a la conducción eléctrica
de clase iónica.
En esta categoría se encuentran los gases que hayan sido sometidos previamente a un
proceso de ionización, lo cual posibilita la conducción de electricidad a través de estos.
Ejemplos de conductores
Aluminio
Las tomas de alta tensión suelen estar recubiertas por una superficie externa de cloruro
de polivinilo (PVC), la cual evita el sobrecalentamiento del conductor y aísla el paso de
la corriente eléctrica del exterior.
Cobre
El cobre puede ser empleado en conductores de bajo y mediano calibre, de uno o varios
hilos, dependiendo de la capacidad amperimétrica del conductor.
Oro
Plata
Con una conductividad de 6,30 x 107 S.m-1 (9-10 % superior a la conductividad del cobre
recocido), es el metal con mayor conductividad eléctrica conocido a la fecha.
Se trata de un material muy maleable y dúctil, con una dureza comparable a la del oro
o el cobre. No obstante, su costo es sumamente elevado, por lo que su uso no es tan
común en la industria.
LEY DE POUILLET
La ley de Puillet (nombrada en honor al científico francés) establece que la cantidad de
electrones que circulan a través de un circuito es proporcional al tiempo y a la propia
corriente eléctrica. Esto significa que cuando la Intensidad de corrientes esté expresada
en Amper y el tiempo en Segundos la cantidad de electricidad queda expresada en
Couloms. La siguiente formula resume la ecuación.
C= Axs
Es decir que
A=C/s
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Un generador de corriente, capaz de crear una diferencia de potencial entre dos áreas
de su estructura llamadas polos. El generador de corriente más comúnmente utilizado
es la pila.
Un conductor de conexión que permite unir dichos polos. Normalmente el conductor más
empleado son los cables formados por hilos de cobre u otro elemento metálico.
Un circuito formado únicamente con los dos elementos anteriores puede resultar poco
útil, por lo que generalmente suelen ir acompañados de otros dispositivos tales como:
Interruptores, para detener o abrir el paso de la corriente eléctrica de forma manual
Aparatos eléctricos de medida, que permitan conocer el valor de las magnitudes del
circuito en determinados puntos. (Amperímetros, voltímetros).
Representación Esquemática
En los conductores sólidos los encargados de portar la carga eléctrica son los
electrones, sin embargo en una disolución iónica, existen dos portadores de carga: los
cationes (+) y los aniones (-). Ambos se desplazan en sentidos opuestos cuando se
encuentran en el seno de un campo eléctrico. Entonces, ¿cuál es el sentido de la
intensidad de corriente?
¿Por qué esto es así? Todo tiene su explicación. Si consideramos que lo que se mueven
son cargas positivas, tal y como estudiamos en el apartado de potencial eléctrico, la
corriente fluye desde puntos de mayor potencial (polo positivo del generador) a los de
menor potencial (polo negativo del generador), tal y como ocurre en la naturaleza
cuando el agua tiende a fluir desde zonas de energía potencial más alta a más baja
(como en las cataratas o rios, el agua circula desde pendientes más altas a más bajas)
o el calor se transfiere desde cuerpos con mayor temperatura a otros con menor
temperatura.
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo y de manera
mixta, que es una combinación de estos dos últimos.
Tal y como vimos en apartados anteriores, en los circuitos eléctricos suelen emplearse
unos dispositivos que se oponen al paso de la corriente eléctrica de una forma más
pronunciada de los normal. Estos dispositivos reciben el nombre de resistencias y
pueden asociarse de tal forma que en conjunto equivalgan al valor de otra resistencia,
llamada resistencia equivalente.
Dos o más resistencias se dice que están en serie, cuando cada una de ellas se sitúa a
continuación de la anterior a lo largo del hilo conductor.
Si realizamos una suma miembro a miembro sobre las tres ecuaciones, observamos
que:
Una asociación en serie de n resistencias R1, R2, ..., RN es equivalente a poner una
única resistencia cuyo valor R es igual a la suma del valor de las n resistencias.
Cuando dos o más resistencias se encuentran en paralelo, comparten sus extremos tal
y como se muestra en la siguiente figura:
Para entender mejor, como abordar este tipo de asociaciones, lo ilustraremos con un
ejemplo. Imagina el siguiente esquema de resistencias:
En este caso, puedes comprobar que hay dos resistencias en serie (R2 y R3), y ambas
en paralelo con R1. Para poder asociarlas en paralelo, debe haber únicamente una
resistencia en cada rama, por lo que en primer lugar asocairemos las que se encuentran
en serie:
Ejemplo
Calcular:
VA-VC = 200 V
R1 = 1 KΩ = 1000 Ω
R2 = 300 Ω
R3 = 900 Ω
Resolución
Cuestión a)
Como se puede observar en la figura, disponemos de una asociación mixta ya que por
un lado R1 y R2 se encuentran en paralelo y ambas en serie con R3. Vamos a calcular
en primer lugar la resistencia equivalente entre R1 y R2 y que llamaremos R1,2.
Por tanto, podemos sustituir R1 y R2 por una resistencia R1,2 de tal forma que esta
última se encuentre en serie con R3:
Cuestión c)
Dado que conocemos el valor de I y de R3, podemos aplicar nuevamente la ley de Ohm
para conocer el valor de VB-VC:
Por lo que dicho trabajo será igual al producto de la carga Q por la diferencia de potencial
V entre los dos puntos:
Q=Ixt
W=VxIxt
Como hemos dicho que Potencia es igual al trabajo dividido por el tiempo: P = W / t
tendremos que
P=VxIxt/tP=VxI
P=VxI
P = R x I2
P = V2 / R
Evidentemente, el trabajo: W
W=VxIxt
W = R x I2 x t
W = (V2 / R) x t
Redes Eléctricas Física. Se denomina red eléctrica al conjunto de medios formado por
generadores eléctricos, transformadores, líneas de transmisión y líneas de distribución
utilizada para llevar la energía eléctrica a los elementos de consumo de los usuarios.
Una red eléctrica es una red interconectada que tiene el propósito de suministrar
electricidad desde los proveedores hasta los consumidores. Consiste de tres
componentes principales, las plantas generadoras que producen electricidad de
combustibles fósiles (carbón, gas natural, biomasa) o combustibles no fósiles (eólica,
solar, nuclear, hidráulica); Las líneas de transmisión que llevan la electricidad de las
plantas generadoras a los centros de demanda y los transformadores que reducen el
voltaje para que las líneas de distribución puedan entregarle energía al consumidor final.
LEYES DE KIRCHHOFF
La suma algebraica de los voltajes de rama en cualquier malla cerrada de una Red es
igual a cero.
La LKC implica que la corriente que entra por un terminal de un elemento de dos
terminales es igual a la corriente que sale por el otro terminal en cualquier instante de
tiempo. Esto no se aplica a los elementos de parámetros distribuidos.
Las Leyes de Kirchhoff constituyen la base de todas las técnicas de análisis de las redes
eléctricas.
Las mediciones eléctricas son los métodos, dispositivos y cálculos usados para medir
cantidades eléctricas. La medición de cantidades eléctricas puede hacerse al medir
parámetros eléctricos de un sistema. Usando transductores, propiedades físicas como
la temperatura, presión, flujo, fuerza, y muchas otras pueden convertirse en señales
eléctricas, que pueden ser convenientemente registradas y medidas.
Se tiene un amperímetro con escala hasta 100 mA y Resistencia Interna de 1000 Ohm
¿Qué Shunt necesita para ampliar la escala hasta 2 amperes?
IT = IA + IS
IS = IT - IA
Tenemos:
IT: 2 amperes
RS: ¿?
Cada instrumento tiene marcado la posición en que se debe utilizar: horizontal, vertical
o inclinada. Si no se siguen estas reglas, las medidas no serían del todo confiable y se
puede dañar el eje que soporta la aguja.
Las lecturas tienden a ser más exactas cuando las medidas que se toman están
intermedias a la escala del instrumento.
Se usa además con un Voltímetro para obtener los valores de resistencias aplicando la
Ley de Ohm. A esta técnica se le denomina el “Método del Voltímetro - Amperímetro”
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 sub.-
múltiplos como el milivoltio (mV) y el micro voltio. Existen Voltímetros que miden
tensiones continuas llamados voltímetros de bobina móvil y de tensiones alternas, los
electromagnéticos.
Sus características son también parecidas a las del galvanómetro, pero con una
resistencia en serie. Dicha resistencia debe tener un valor elevado para limitar la
corriente hacia el voltímetro cuando circule la intensidad a través de ella y además
porque el valor de la misma es equivalente a la conexión paralela aproximadamente
igual a la resistencia interna; y por esto la diferencia del potencial que se mide (I2 x R)
no varía.
Por ejemplo: Se quiere medir con un Voltímetro cuya resistencia total es de 2 M Ohm,
la caída de tensión es una resistencia: R = 20 Ohm por donde circulan 5 A.
a) Se tiene un voltímetro con escala hasta 100 Volt. El Galvanómetro del Voltímetro
tiene 4 Ohm de resistencia y admite 100 micro amperios. Se quiere calcular el valor de
la resistencia para aumentar la escala hasta 200 Volt:
R2 = R - RGalv como RT = VT
IT
R2 = VT - Rgalv
IT
Cada instrumento tiene marcado la posición en que se debe utilizar: horizontal, vertical
o inclinada.
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.
Al terminar de usarlo, es más seguro quitar la batería que dejarla, pues al dejar
encendido el instrumento, la batería se puede descargar totalmente.
Fuentes de Poder
Son aparatos utilizados para darle una ganancia de electricidad regulada a los
instrumentos de medición según resistencia (voltaje) e intensidad (amperaje). Las
fuentes de poder utilizadas en Laboratorios son extraíbles y portables, lo cual hacen de
este aparato algo bien práctico.
Se dividen en dos tipos, los completos y los prácticos según la función o el Uso que
tenga y son capaces de regular la salida de ganancia según los parámetros ya
nombrados con un margen de error porcentual bajo para mejorar y dar practica a
ejercicios de medición.
MAGNETISMO
Hacia fines del siglo XVIII, Charles Coulomb, un científico francés realizó los primeros
estudios científicos sobre los imanes y el campo magnético, llegando a descubrir la ley
fundamental del magnetismo que lleva su nombre. Ya en el siglo XIX, Christian Ørsted,
científico danés, descubrió que una corriente eléctrica es capaz de producir un campo
magnético y comenzó así una serie de descubrimientos y desarrollos tecnológicos
basados en la relación entre la electricidad y el magnetismo.
Se llama imán a cualquier sustancia o cuerpo que tenga la propiedad magnética. Existen
imanes naturales como la magnetita que es un óxido de hierro (Fe3O4) y otros
artificiales obtenidos con diferentes materiales y por diferentes métodos de imantación,
como la inducción magnética, el frotamiento con un imán o por la acción de la corriente
eléctrica. A los imanes comerciales se les da la forma más adecuada a su uso como
cilindros, barras, botones, cintas, aros, discos y la clásica herradura.
Los imanes tienen siempre dos polos magnéticos, que son las zonas del imán donde la
intensidad de las fuerzas magnéticas es mayor o expresado más correctamente donde
existe una mayor concentración de líneas de fuerza. Estos polos se designan, al igual
que los geográficos, como Norte y Sur y se encuentran cercanos a los extremos del
imán. Polos de igual nombre se rechazan y de diferente nombre se atraen.
- Se llama campo magnético a la zona del espacio que rodea al imán donde este
manifiesta su acción magnética. Es un campo de fuerzas a distancia que se hace
visible mediante un espectro magnético y en el cual pueden apreciarse entonces
las líneas de fuerzas.
- Se llama espectro magnético a la representación del campo de un imán que se
logra generalmente esparciendo limaduras finas de hierro sobre una lámina no
magnética colocada sobre el imán.
- Se llaman líneas de fuerza del campo magnético a la trayectoria imaginaria que
seguiría un polo norte aislado si se lo libera dentro del campo magnético. Estas
líneas de fuerza son apreciables en el espectro magnético. Una aguja imantada
colocada en el campo se orientará tangente a la línea de fuerza que pasa por
ese lugar. Por convenio se considera entonces que una línea de fuerza sale del
polo norte y se dirige al polo sur.
- Se llama línea o zona neutral a la línea central, equidistante de ambos polos
donde la acción magnética es mínima.
- Se llama imantación o magnetización, al fenómeno en el que un cuerpo se
transforma artificialmente en un imán. Este proceso puede producirse por
inducción, frotamiento o electromagnetismo.
- Se llama inducción magnética al fenómeno por el que un material, por el sólo
hecho de estar inmerso en un campo magnético, o en las cercanías de un imán,
se magnetiza.
- Se llaman fuerzas magnéticas a las fuerzas de atracción o de repulsión entre
dos imanes.
- Se llama energía magnética a la energía potencial o cinética que tiene un cuerpo
al ser atraído o movido por las fuerzas magnéticas.
MATERIALES MAGNÉTICOS:
Casi todos los materiales, en mayor o menor medida, pueden ser influenciados por un
campo magnético, sin embargo existen algunas diferencias notables que nos permiten
clasificarlos en tres grandes grupos.
Hoy se sabe que los electrones periféricos de los átomos rotan y generan un campo
magnético propio. Este campo puede estar compensado o no por el de otros electrones
cercanos, cuando no lo está, el átomo será magnético. Estos átomos tienden a unirse
con otros cercanos en la misma orientación magnética. Se llama dominio magnético a
este conjunto de dipolos atómicos permanentes orientados en la misma dirección. Estos
dominios están generalmente dispuestos de forma aleatoria y por lo tanto el cuerpo
resultante no es un imán, pero si se ordenan todos con sus polos iguales hacia el mismo
lado, el conjunto tendrá una polaridad marcada y será un imán. En el caso de los imanes
naturales como la magnetita, se entiende que estos dominios se fueron orientando
según el campo magnético terrestre mientras la lava volcánica originaria se iba
solidificando. Los materiales ferromagnéticos son los que presentan dominios
magnéticos fáciles de ordenar por acción de un campo externo y en esto consiste la
imantación por inducción.
Estudiando las fuerzas entre cargas eléctricas, Charles Coulomb realizó mediciones
precisas con una balanza de torsión hasta encontrar la relación entre las fuerzas de
atracción y repulsión y la cantidad de carga eléctrica de los cuerpos y expresó esta
relación en la ley que lleva su nombre y que estudiaremos en el capítulo correspondiente
a la Electrostática. Esta ley se hizo extensiva a las atracciones magnéticas haciéndose
necesario definir el concepto de masa magnética, similar al de carga eléctrica.
De acuerdo con este concepto, la ley de Coulomb para fuerzas magnéticas sostiene que
:La fuerza de atracción o de repulsión entre dos masas magnéticas es directamente
proporcional al producto de esas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa.” En símbolos:
MAGNETISMO TERRESTRE
La tierra es un gran imán y como tal, tiene dos polos y un campo magnético con líneas
de fuerza que la rodean.
Los polos magnéticos terrestres no coinciden con los polos geográficos, sino que se
encuentran a más de 1000 km de distancia y a cierta profundidad bajo la superficie.
Además por algunas razones históricas, sus nombres están invertidos, es decir que,
cercano al polo norte geográfico se encuentra en realidad el polo sur magnético, porque
se llama polo norte de la brújula, al que indica hacia el norte geográfico, y sabemos que
debe ser atraído por el polo opuesto. De la misma manera, el polo norte magnético es
el que se encuentra cercano al polo sur geográfico.
Las líneas de fuerza del campo magnético terrestre rodean a la Tierra y pueden
interactuar con partículas eléctricas que llegan desde el sol, desviándolas hacia los
polos donde se producen las Auroras boreales y australes. Algunas aves migratorias
pueden orientarse en sus vuelos por estas líneas de fuerza, pero la manifestación más
conocida de este campo es la orientación de la brújula.
La brújula o compás magnético está compuesta básicamente por una aguja imantada
que puede girar sobre un eje vertical y se orienta en el campo magnético terrestre. Esta
aguja viene montada en cajas especiales que llevan adosada la Rosa de los Vientos
con los puntos cardinales. Los compases de navegación tienen suspensión cardánica,
lo que significa que pueden girar libremente sobre tres ejes en cualquier dirección. La
brújula se orienta tangencialmente a las líneas de fuerza del campo magnético que en
la mayor parte del planeta es aproximada a la dirección del meridiano del lugar. Sin
embargo el campo magnético terrestre no es uniforme ni permanente, sino que tiene
alteraciones de distinto tipo:
- Las alteraciones seculares tienen que ver con el lento corrimiento de los polos
magnéticos terrestres que se desplazan actualmente a razón de uno 40 km por año.
- Las inversiones tienen que ver con largos períodos de tiempo (cientos de miles de
años) durante los cuales el campo disminuye de intensidad hasta desaparecer y luego
volver a aparecer invertido. La última inversión se produjo hace 780.000 años.
Las alteraciones temporales tienen relación con las tormentas solares que influyen
notablemente sobre el campo magnético terrestre cuando se producen.
Las alteraciones locales tienen relación con depósitos de minerales magnéticos en una
determinada región que alteran el campo en ese lugar.
La brújula presente entonces dos desviaciones que deben tenerse en cuenta: la
inclinación y la declinación. La inclinación magnética es el ángulo que forma la brújula
con la línea horizontal del lugar y se debe a la profundidad de los polos magnéticos bajo
la superficie terrestre, que hace que, en el hemisferio norte la punta de la brújula tienda
a inclinarse hacia abajo y en el hemisferio sur hacia arriba. Sólo en el ecuador
magnético, que se encuentra próximo al ecuador geográfico, la brújula se mantiene
perfectamente horizontal; en los polos magnéticos la inclinación de la brújula es de 90º,
es decir que adquiere un aposición vertical. La declinación magnética es el ángulo que
forma la brújula con el meridiano geográfico del lugar y se debe a que los polos
magnéticos no coinciden con los polos geográficos. Esta declinación está tabulada en
tablas de navegación para cada región del planeta, pero varía con los años. El ángulo
de declinación puede variar desde 0º en las zonas que son agónicas, es decir que el
meridiano geográfico coincide con las líneas de fuerza del campo magnético, hasta 180
º en las zonas cercanas a los polos donde la brújula pierde su efectividad.
CAMPO MAGNÉTICO
Los campos magnéticos pueden ser generados por cargas en movimiento y corrientes
eléctricas. A lo largo de este apartado nos centraremos en el estudio del campo creado
por una carga puntual ya sea positiva o negativa.
Su dirección coincide con el de la recta perpendicular al plano que
forman
Las líneas de campo coinciden con las líneas azules punteadas de la figura.
Permeabilidad Magnética
Diferencias entre el campo eléctrico y el campo magnético creado por una carga
puntual
Una diferencia importante entre el P y el campo magnético creado por una carga puntual
se centra principalmente en que cualquier carga en reposo o movimiento crea un campo
eléctrico, sin embargo, tan solo una carga en movimiento crea un campo magnético.
De igual forma el campo eléctrico es central y las líneas de campo son radiales a la
carga, por el contrario el campo magnético no es central y sus líneas de campo son
cerradas (circunferencias concéntricas).
A pesar de estas diferencias, ambos campos son inversamente proporcionales a la
distancia en la que se midan y dependen del medio en el que se encuentren.
Las líneas de campo magnético son una forma de representar este campo magnético.
Los campos magnéticos pueden ser generados por imanes o por corrientes eléctricas.
Las líneas nos indican lo fuerte que es el campo y hasta donde llega su acción. Cuanto
más juntas estén más fuerte es el campo magnético y la superficie que ocupen estas
líneas es la zona donde hay campo magnético (donde habría atracción magnética hacia
los metales). Las líneas son imaginarias, pero se usan para representar el campo
generado.
Entender bien las líneas y los campos magnéticos es muy importante para el estudio de
motores, generadores y en general cualquier máquina eléctrica. Es por eso que os
dejamos este video muy didáctico en el que explica perfectamente las líneas generadas
por el campo y de forma muy sencilla.
Como conclusión diremos que para crear un campo magnético se necesita un iman o
una corriente eléctrica.
El campo magnético producido puede analizarse para su estudio como si se tratara del
campo creado por un imán, de tal manera que sea posible obtener su espectro y
observar sus defectos.
El campo magnético es producido por la corriente eléctrica que circula por un conductor;
cuando la corriente eléctrica esta fluyendo se produce un campo magnético pero cuando
ésta deja de fluir desaparece el campo; al dos campos interactuar se produce un
movimiento en el objeto ya que estos despegan fuerzas que producen el mismo. Para
determinar la expresión del campo magnético producido por una corriente se emplean
dos leyes: la ley de Biot-Savart y la ley de Ampere.
Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del
mismo. La dirección y el sentido del campo magnético alrededor de un conductor se
determinan por la regla del tirabuzón. La misma consiste en imaginar un tirabuzón que
avanza representando a la corriente. Para hacerlo debe moverse girando en un
determinado sentido. Ese es el sentido del campo magnético alrededor del conductor.
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente
eléctrica de conducción, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una
corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso
aunque aquella sea estacionaria.
La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de
Ampere. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo da la ley
de Ampere-Maxwell.
Un conductor es un hilo o alambre por el que circula una corriente eléctrica. Una
corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo
magnético ejerce una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que
la resultante de las fuerza sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un
alambre que lleva corriente. Conductor rectilíneo.
La figura muestra un tramo de alambre de longitud l que lleva una corriente i y que está
colocado en un campo magnético B Para simplificar se ha orientado el vector densidad
de corriente j de tal manera que sea perpendicular a B.
F' = q v B sinӨ = e vd B
por ser Ө = 90º y siendo vd la velocidad de arrastre: (vd = j/n e). Por lo tanto,
F = e (n A l) F' = n A l (j B/n)
F=ilB
F=ilxB
Obsérvese que l (no representado en la figura) apunta hacia la izquierda y que la fuerza
magnética (F= i l x B) apunta hacia arriba saliendo del plano de la figura.
Esto concuerda con la conclusión a que se llegó al analizar las fuerzas que obran en los
portadores de carga individuales. Conductor no rectilíneo
Si se considera solamente un elemento diferencial de un conductor de longitud dl, la
fuerza dF puede encontrarse mediante la expresión
dF = i dl x B
Considérese, por ejemplo, un alambre de la forma mostrada en la figura, que lleva una
corriente i y se encuentra en el seno de un campo magnético uniforme de inducción
magnética B saliendo del plano de la figura tal como lo muestran los puntos. La magnitud
de la fuerza sobre cada tramo recto está dada por:
F1 = F3 = i l B
y apunta hacia abajo tal como lo muestran los vectores coloreados de verde. Un
segmento de alambre de longitud dl en el arco experimenta una fuerza dF cuya magnitud
es:
dF = i B dl = i B (R dӨ)
y cuya dirección es radial hacia O, que es el centro del arco. Solamente la componente
hacia abajo de esa fuerza es efectiva, porque la componente horizontal es anulada por
una componente directamente opuesta proveniente del correspondiente segmento de
arco a la derecha de O. En consecuencia, la fuerza total sobre el semicírculo de alambre
alrededor de O apunta hacia abajo y es:
F = F1 + F2+F3 = 2 i l B + 2 i B R = 2 i B (l+R)
Es interesante notar que esta fuerza es la misma que obraría sobre un alambre recto de
longitud 2l + 2R
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LEY DEL ELECTROMAGNETISMO (LEY DE
INDUCCIÓN DE FARADAY)
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA:
Una vez que Hans Christian Oersted puso de manifiesto que una corriente podía
producir un campo magnético, muchos físicos empezaron a plantearse si ocurriría lo
contrario: que un campo magnético fuese capaz de crear una corriente. Vamos a
describir los experimentos que llevaron a cabo Michael Faraday en Inglaterra y Joseph
Henry en E.U. y que ponen de manifiesto el fenómeno de la inducción.
Experimento de Faraday
En uno de sus experimentos, en 1831, Faraday enrolló un cable conectado a una pila
alrededor de un anillo de hierro y enrolló un segundo cable en el otro lado del anillo, un
cable sin pila. La idea era simple: si una corriente eléctrica generaba un campo
magnético, tal vez un campo magnético generaría una corriente eléctrica.
De modo que Faraday puso un detector en el segundo cable, el que no tenía pila alguna,
y encendió el primer circuito conectado a la pila. Sin embargo, no sucedió lo que podría
parecer evidente: cuando la pila estaba encendida y por tanto había un campo
magnético, el segundo cable no mostraba corriente alguna. La situación era
exactamente igual con la pila encendida que con la pila apagada. Pero, ¡ah!, algo
inesperado sí sucedía: justo en el momento de encender el primer circuito o apagarlo,
aparecía una corriente eléctrica en el segundo circuito.
Lo extraño era que no era la existencia de un campo magnético lo que inducía una
corriente en el circuito sin pila: era la variación del campo magnético la que generaba
corriente. Además, y esto era también curioso, cuando se encendía el circuito, la
corriente en el segundo circuito iba en un sentido, pero al apagarlo, la corriente iba en
sentido contrario. En ambos casos se detectaba corriente durante un tiempo muy corto:
el que duraba la transición apagado-encendido y viceversa. Eran los cambios, y no la
mera existencia de campo magnético, los que causaban la aparición de corriente
Faraday enunció un principio que hablaba exclusivamente de cables y circuitos, y el ruso
Heinrich Lenz lo refinó añadiendo el sentido de la corriente. Paradójicamente, ese
fenómeno curioso pero aparentemente inútil del que ni siquiera el propio Faraday fue
capaz de predecir su importancia, hoy en día domina nuestra vida cotidiana. Se
encuentra allí donde dirijamos la mirada, pues es la base de nuestra tecnología, nuestro
desarrollo y, en consecuencia, nuestra civilización: generadores eléctricos (ya sean de
centrales térmicas, atómicas, hidráulicas, eólicas), motores eléctricos, transformadores
(que se encuentran en todos los aparatos eléctricos y electrónicos del hogar),
osciladores, baterías, hornos de inducción.
Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la Ley de Faraday-Lenz.
Faraday explicó el origen de esta corriente en términos del número de líneas de campo
atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue posteriormente expresado
matemáticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las cuatro ecuaciones
fundamentales del electromagnetismo.