Tema 5: Electromagnetismo Objetivo: El alumno conocerá los

Tema 5: Electromagnetismo
Objetivo:
El alumno conocerá los conceptos y leyes que le
permitan comprender algunos de los fenómenos
eléctricos y magnéticos, haciendo énfasis en los
antecedentes necesarios para el análisis de circuitos
eléctricos.
Contenido:
5.1
Carga eléctrica. Unidad de medición en el SI. Principio de
conservación de la carga.
5.2
Ley de Coulomb. Concepto de campo eléctrico. Unidad de medición
en el SI. Campo eléctrico de cargas puntuales y entre placas planas
y paralelas.
5.3
Conceptos de energía potencial eléctrica y diferencia de potencial
eléctrico. Unidades en el SI. Diferencias de potencial de cargas
puntuales y entre placas planas y paralelas.
5.4
Corriente eléctrica. Definiciones de corriente continua, directa y
alterna. Unidad en el SI.
5.5
Experimento de Oersted. Concepto de campo magnético y flujo
magnético. Fuerza de origen magnético.
5.6
Campo magnético producido por un conductor recto y por un
solenoide.
5.7
Inducción electromagnética. Ley de Faraday. Principio de Lenz.
M del Carmen Maldonado Susano
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5.1
Carga eléctrica. Unidad de medición en el SI.
Principio de conservación de la carga.
Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la
materia.
Hay dos tipos de carga eléctrica la carga positiva (+)
y carga negativa (-).
La cantidad más pequeña de carga es el electrón
(misma carga que el protón, pero de signo contrario).
electrón = -1.602 x10 -19 (coulomb)
Existe una fuerza entre las cargas, una fuerza de
atracción (cargas diferentes) y una fuerza de
repulsión (cargas iguales).
Unidad de medición en el SI
La Unidad de carga eléctrica en el SI es el Coulomb.
Un coulomb es la cantidad de carga que a la distancia
de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual,
la fuerza de 9 x 109 [N]. Así pues de esta definición
resulta ser que:
1 coulomb = 1 [C] = la carga de 6,23 x 1018 electrones (o protones)
Principio de conservación de la carga
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Convención de Benjamin Franklin
De acuerdo con la convención adoptada por él, decimos que la
carga eléctrica del vidrio es positiva y la carga eléctrica del
hule, negativa.
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Ley Cero de la electrostática
Cargas del mismo tipo se repelen y cargas de distinto tipo se atraen
(+) (+) se repelen
(-) (-) se repelen
(-) (+) se atraen
(+) (-) se atraen
Repulsión entre cargas del mismo signo
Dos varillas con cargas del mismo signo se repelen. Para observarlo pueden frotarse
dos varillas del mismo material (por ejemplo, vidrio) empleando el mismo método (por
ejemplo, un paño de seda). Al ser del mismo material y haber sido frotadas de la
misma forma, las varillas adquieren cargas del mismo signo. Si se cuelga una varilla
de un hilo de forma que pueda girar y se le acerca la otra, la primera gira alejándose
de la segunda, lo que demuestra que las cargas se repelen. Si las dos varillas
tuvieran cargas de signo opuesto, la primera se acercaría a la segunda, puesto que
las cargas de distinto signo se atraen.
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Conductores
Son aquellos materiales que permiten que las cargas puedan moverse con
facilidad de un lugar a otro en todo el cuerpo. Ejemplos: Oro, cobre, plata, agua
potable
Aislantes
Son aquellos materiales que no permiten que las cargas se muevan con tal
dificultad que podemos considerarlas fijas o a lo sumo sus posiciones de equilibrio
podrán sufrir ligeras modificaciones. Ejemplos: Madera, porcelana, plástico, agua
Para cargar cuerpos electricamente
Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto.
1) frotamiento
2) contacto con otro cuerpo cargado
3) inducción
Figura 2: carga eléctrica inducida
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Estos tres objetos muestran la forma en que las cargas eléctricas afectan a
conductores y no conductores. Una varilla negativamente cargada (A) afecta a la
distribución de cargas de un conductor (B) y un no conductor (C) cercanos. En los
lados de B y C más próximos a A se induce una carga positiva, mientras que en los
lados más alejados aparece una carga negativa. En el conductor (B), la separación
de la carga afecta a todo el objeto, porque los electrones pueden moverse
libremente. En el no conductor (C), la separación se limita a la distribución de los
electrones dentro de cada átomo. El efecto se nota más si el no conductor está cerca
del objeto cargado.
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5.2
Ley de Coulomb. Concepto de campo eléctrico.
Unidad de medición en el SI. Campo eléctrico de
cargas puntuales y entre placas planas y
paralelas.
La ley de Coulomb establece que la fuerza entre dos cuerpos
cargados es directamente proporcional al producto de la carga
de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia entre ellos; y además, la fuerza va en la
dirección de una línea recta imaginaria que une ambos
cuerpos. Cuando la fuerza entre dos cuerpos es inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia, se dice también que
decrece con el cuadrado de la distancia que los separa.
F
q1 q 2
r
N 
2

qq
F  k 122
r


N 
Esta fuerza será atractiva o repulsiva según tengan las cargas distinto o
igual signo, respectivamente.
La constante k representa físicamente la fuerza con que se repelen dos
cargas de 1 C cada una situadas a 1 m de distancia. La constante k es
función del medio en el que se encuentren las cargas, y se calcula a
través de la expresión
k
1
4
siendo ko la constante dieléctrica del medio. En el vacío,
k 0  9.10 9
0  8,8510
.
N . m2
C2
12
C2
.
N . m2
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5.3
Conceptos de energía potencial eléctrica y
diferencia de potencial eléctrico. Unidades en el
SI. Diferencias de potencial de cargas puntuales
y entre placas planas y paralelas.
Diferencia de Potencial
Es el trabajo necesario para llevar una carga q de un punto A a un
punto B.
V 
W
q
La unidad en el SI es el Volt (J/C)
Resistencia
Es la oposición a l paso del flujo de la corriente eléctrica
R
V
I
La unidad en el SI de la resistencia es el Ohm.
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Ley de Ohm
V  RI
Modelo Matemático
V=mI+b
m = R (ohm)
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Conexión en serie
Sólo se tocan en un punto
Conexión en Paralelo
Se tocan en dos puntos
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Ejemplo
Voltímetro
polaridad
se
conecta
en
paralelo,
respetando
la
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Amperímetro
polaridad
se
conecta
en
serie,
respetando
la
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Osciloscopio
Instrumento de medición que mide directamente
amplitud y periodo
Mida la diferencia de potencial de la pilas de 9 volts
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Actividad 5
Periodo = 1 / Frecuencia
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5.4
Corriente eléctrica. Definiciones de corriente
continua, directa y alterna. Unidad en el SI.
Intensidad de Corriente eléctrica
Es el flujo de cargas eléctricas que atraviesan un área
transversal por unidad de tiempo.
I
Definimos corriente eléctrica con la letra “i” de la siguiente
manera:
i
q
t
La unidad en el SI de corriente eléctrica es el Ampere (Coulomb
/ segundo)
Definiciones de corriente continua, directa y alterna.
Unidad en el SI.
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Campo Eléctrico
Cantidad de Fuerza eléctrica en cada unidad de carga.

 F
N
E
 
q
C
La unidad de intensidad de campo eléctrico en el S.I. es el N/C.
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Electromagnetismo
Es la parte de la física que estudia las relaciones entre las cargas eléctricas y los
fenómenos magnéticos.
Electrostática
Estudia las cargas eléctricas en reposo.
Electrodinámica
Estudia las cargas eléctricas en movimiento.
Magnetismo
Los imanes se dividen en dos partes:
Imanes permanentes: los cuales tienen la propiedad de retener su
magnetismo indefinidamente y no requieren de excitación externa. El
fierro es el único que posee grandes propiedades magnéticas. (Fe 3O4Magnetita- imán natural).
Electroimanes: cuyo magnetismo depende de la excitación externa.
El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades
de un conductor por el que circula una corriente indica la
presencia de un campo magnético (véase Magnetismo)
alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos
son recorridos cada uno por una corriente, los conductores se
atraen si ambas corrientes fluyen en el mismo sentido y se
repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El campo
magnético creado por la corriente que fluye en una espira de
alambre es tal que si se suspende la espira cerca de la Tierra
se comporta como un imán o una brújula, y oscila hasta que
la espira forma un ángulo recto con la línea que une los dos
polos magnéticos terrestres.
Puede considerarse que el campo magnético en torno a un
conductor rectilíneo por el que fluye una corriente se
extiende desde el conductor igual que las ondas creadas
cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del
campo magnético tienen sentido antihorario cuando se
observa el conductor en el mismo sentido en que se
desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es
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estacionario mientras la corriente fluya por él de forma
uniforme.
Campos magnéticos y electricidad
En 1813, Hans Christian Oersted predijo que se hallaría una
conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819
colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una
corriente y observó que la aguja magnética se desviaba.
Con ello demostró que las corrientes eléctricas producen
campos magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas de campo
magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.
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Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las
líneas de fuerza de un campo magnético, este campo actúa
sobre los electrones libres del conductor desplazándolos y
creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en
el mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético
es estacionario y el cable se mueve que si el campo se mueve
y el cable permanece estacionario. Cuando una corriente
empieza a circular por un conductor, se genera un campo
magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el
propio conductor e induce en él una corriente en sentido
opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla
de Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero
si el cable se arrolla para formar una bobina, el efecto se
amplía ya que los campos generados por cada
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Interacción entre carga eléctrica y Campo Magnético
Una pregunta importante es la de si los Campos Magnéticos
ejercen fuerza sobre las cargas eléctricas. La experiencia
indica que si colocamos una carga eléctrica en reposo en un
campo magnético, no se ejerce ninguna fuerza sobre la carga.
Igualmente, si una carga se mueve en dirección paralela al
campo magnético, o sea según una línea de fuerza, tampoco
se ejerce una fuerza sobre la carga. Esta es otra manera de
determinar la dirección del campo magnético en un lugar.
Sin embargo, si lanzamos una carga eléctrica en dirección
perpendicular al campo magnético, observamos que describe
un movimiento circular. El sentido en que la carga recorre la
circunferencia depende de que la carga sea positiva o
negativa. Para determinar el sentido del movimiento,
aplicamos la siguiente regla: Si colocamos la mano derecha
con el pulgar extendido y apuntando en la dirección del
campo, y luego cerramos la mano, el sentido en el que se
arrollan los demás dedos coincide con la dirección en que se
mueven las cargas negativas y con la contraria al movimiento
de las cargas de las positivas.
Cuando se lanza una carga en dirección oblicua a un campo
magnético, se observa que la carga describe una trayectoria
en espiral. Esto se debe a que el movimiento paralelo al
campo magnético no es afectado por éste, mientras que el
movimiento perpendicular al campo es circular. La
composición de ambos movimientos da lugar a una
trayectoria en espiral.
El análisis de las diversas trayectorias de una partícula
cargada moviéndose en un campo magnético indica que la
fuerza magnética sobre una carga eléctrica es perpendicular a
la velocidad de la carga y perpendicular al campo magnético.
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Por tanto, deducimos que la carga magnética sobre una carga
magnética es perpendicular al plano determinado por la
velocidad de la carga y dirección del campo magnético.
Fuerza Magnética
Si lanzamos diversas partículas cargadas a un campo
magnético, este ejercerá sobre ellas cierta fuerza magnética.
Esta fuerza magnética es perpendicular al plano que forman
los vectores velocidad y campo magnético. De esto, podremos
comprobar que la fuerza magnética sobre una partícula es
proporcional a su carga, a su velocidad, y al seno del ángulo
que forma el vector campo magnético con la velocidad de la
partícula, es decir que mientras más rápido se mueva una
partícula cargada, mayor será la fuerza magnética ejercida
sobre ella.
Luego, se designa como B la intensidad del campo magnético,
y vemos que si lanzamos una partícula en dirección
perpendicular a un campo magnético, podemos establecer la
relación entre las magnitudes F, v y B:
F  qvBsen
N
Campo Magnético
La relación anterior nos permite determinar el campo magnético si conocemos la
fuerza, la velocidad y la carga. La unidad de medida del campo magnético en el SI
es el Tesla (T). Deducimos entonces de las unidades de las otras magnitudes que
la intensidad de un campo magnético va a ser de 1 Tesla si una carga de 1
Coulomb que se mueve perpendicularmente al campo magnético con una
velocidad de 1 m/s experimenta una fuerza de 1 Newton. Ahora, si aislamos el
valor B de la ecuación, nos queda:
B
F
qvsen
Tesla 
Esta expresión se reduce si el ángulo es de 90 grados, y no se puede definir si el
ángulo es de 0 grados.
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Regla de la mano derecha:
Consiste en extender la mano derecha, de modo que el pulgar
quede perpendicular a los restantes dedos (en un solo plano).
Entonces, si el pulgar indica el sentido de la corriente y de los
demás dedos, el sentido del campo, el sentido del movimiento
o de la fuerza aplicada sobre el conductor o sobre las cargas
será perpendicular a la palma de la mano, alejándose de ésta.
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Campo Magnético
El campo magnético es una región del espacio en la
cual una carga eléctrica puntual de valor q en movimiento, a
una velocidad sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular
y proporcional tanto a la velocidad como al campo.
Es la región del espacio en la que actúa una fuerza magnética.
Las unidades del campo magnético en el SI son las teslas (T).
Líneas del Campo Magnético
Van de Norte a Sur
No se cruzan
Son proporcionales entre si
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Referencias
Apuntes de Física Experimental, Gabriel Jaramillo
Apuntes personales de la materia, Rigel Gámez
Apuntes personales de la materia, Manuel Vacio
Apuntes de la materia de Máquinas Térmicas, Armando Maldonado
Libro de Física Universitaria, Sears Zemansky
Libro de Termodinámica, Yunes A Cengel
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