Electromagnetismo

Electromagnetismo

¿Que es...?

Es la parte de la fisica encargada de estudiar al conjunto de fenomenos que resultan de las acciones mutuas entre las corrientes electricas y el magnetismo.

El electro magnetismo tuvo su origen en el invento de la pila electrica realizado por Alessandro Volta en 1800

En 1820 por casualidad Hans Oersted empujo en forma accidental una brujula que se encontraba bajo un alambre conectado a una pila, el cual conducia un corriente continua o directa; observo con asombro como la aguja realizaba un giro de 90 grados para colocaerse perpendicularmente al alambre, con esto se demostraba que este ademas de conducir electricdad, generaba a su alrededor una fuerza parecida a la de un iman, o en otras palabras generaba un campo magnetico, asi se descubrio el electromagnetismo

Mas tarde Andre ampere (1775-1836), descubrio que el campo magnetico podia intensificarse al enrollar el alambre conductor en forma de bobina.

Este hecho condujo a Joseph Henry a descubrir a base de diversos experimentos el electro iman, pieza fundamental de los motores electricos.

Mas tarde Michael Faraday construyo el primer motor experimental.

40 años despues del primer motor Theophile Gramme (1826-1901), construyo el primer generador electrico o dinamo capaz de transformar la energia electrica.

En 1888 Nikola Tesla invento el motor de induccion, el cual funciona con corriente alterna y cuyos usos actualmente son muy amplios en diversos aparatos electricos.

Heinrich Lenz (104-1865) se especializo en la induccion electrica y establecio una ley que lleva su nombre la cual afirma: Una corriente inducida por fuerzas electromagneticas siempre produce efectos que se oponen a las causas que lo producen

Desarrollo del electromagnetismo

En 1873 James Maxwell (1831-1879), manifesto la intima conexion entre los campos electrico y magnetico.

Heinrich Hertz (1857-1894) estudio las ecuaciones que planteaba Maxwell para la teoria electromagnetica y logro demostrar con la produccion de ondas electromagneticas que estas se desplazan por el espacio sin necesidad de cables conductoresy que su naturaleza es semjante a las ondas luminosas.

Campo magnetico Producido por una corriente

Oersted descubrio que una corriente electrica cera a su alrededor un campo magnetico al observar que una aguja imantada colocada cerca de un conductor rectilineo, se desvia de su posicion de equilibrio norte-sur cuando por el conductor circula una corriente.

PD

El polo norte de la aguja imantada se desvia siempre hacia la izquierda de la direccion que lleva la corriente.

Campo magnetico producido por un conductor recto

La regla de de ampere nos señala el sentido de las lineas de fuerza, pero tambien podemos aplicar la regla de la mano izquierda: como la direccion del campo magnetico depende del sentido de la corriente, se toma al conductor recto con la mano izquierda con el pulgar extendido sobre el conductor, este debe señalar el sentido en el que circula la corriente electrica y los cuatro dedos restantes indicaran el sentido del campo magnetico.

La densidad del flujo magnetico es directamente proporcional a la intensidad de la corriente y que la distancia perpendicular del conductor es inversamente proporcional a la densidad de flujo

PD

Campo magnetico producido por una espira

Una espira se obtiene al doblar en forma circular un conductor recto. El espectro del campo magnetico crado por esta, se origina por lineas cerradas que rodean a la corriente y por una linea recta que es el eje central del circulo seguido por la corriente

La direccion de la induccion magnetica es siempre perpendicular al plano en el cual se encuentra la espira

Campo magnetico producido por un solenoide o bobina

Un solenoide se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal.

Cuando una corriente circula a traves del solenoide, las lineas de fuerza del campo magnetico generado se asemejan al campo producido por un iman en forma de barra. En su interior las lineas de fuerza son paralelas y el campo magnatico es uniforme.

Fuerzas sobre cargas electricas en movimiento dentro de campos magneticos

Todo conductor por el cual circula una corriente electrica esta rodeado de un campo magnetico

En virtud de que una corriente electrica es un flujo de electrones, cada uno de ellos constituye una particula cargada en movimiento generadora de un campo magnetico a su alrededor

PD

Cuando un electron en movimiento con su propio campo magnetico penetra en forma perpendicular dentro de otro campo producido por un iman o una corriente electrica , los 2 campos magneticos interectuan entre si.

Cuando una particula cargada se mueve perpendicualrmente a un campo magnetico, recibe un fuerza magnetica cuya direccion es perpendicular a la direccion de su movimiento y a la direccion de la induccion magnetica, por tanto la particula se desviay sigue una trayectoria circular.

Cuando una carga se mueve paralelamente a las lineas magneticas del campo, no sufre ninguna desviacion

Si la trayectoria de la particula es en forma oblicua , la particula cargada se desviara y describira una trayectoria en forma de espiral.

Induccion electromagnetica y ley del electromagnetismo

Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente

Un cconductor por el que circula una corriente esta rodeado de un campo magnetico. Si el conductor se introduce en forma perpendicualr a un campo magnetico recibira una fuerza lateral

Fuerza magnetica entre 2 conductores paralelos por los que circula una corriente

En virtud de que una carga en movimiento genera a su alrededor un campo magnetico , cuando 2 cargas electricas se mueven en forma paralela interactuan sus respectivos campos y se produce una fuerza magnetica entre ellas.

La fuerza magnetica sera de atraccion si las cargas que se mueven paralelamente son de signo y movimiento contrarios

Cd

La fuerza de repulsion magnetica, ya que en esta las cargas son de igual signo y con diferente sentido

Michael Faraday descubrio las corrientes electricas inducidas al realizar experimentos conn una bobina y un iman

Las corrientes inducidas son aquelas producidas cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las lineas de flujo de un campo magnetico

Pd

La induccion electromagnetica es el fenomeno que da origen a la produccion de una fuerza electromotriz (fem) y de una corriente electrica inducida, como resultado de la variacion del flujo magnetico debido al movimiento relativo entre un conductor y un campo magnetico

Ley de lenz

EL fisico Heinrich Lenz (1804-1865) enuncio una ley sobre induccion magnetica que lleva su nombre:

Siempre que se induce una Fem , la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce.

Ley de electromagnetismo o ley de induccion de Faraday

Con base a sus experimentos Faraday enuncio la siguiente ley

La fem inducida en un circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporcional al n umero de lineas de fuerza magnetica cortadas en un segundo. En otras palabras la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnetico que envuelve

Inductancia

Existen fenomenos de induccion electromagnetica generados por un circuito sobre si mismo llamados de inductancia propia o de autoinduccion y los producidos por la proximidad de los 2 circuitos llamados de inductancia mutua.

Autoinduccion: Esta es la produccion de una fem en un circuito por la variacion de la corriente en este circuit La fem inducida siempre se opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem autoinducida se mide con una magnitud llamda inductancia. La bobina es conocida como autoinductor o simplemente inductor.

PD

Cuanto mayor sea la inductancia, mas lentamente se elevara o descendera la corriente dentro de la bobina.

Inductancia mutua

Cuando 2 bobinas se colocan una cerca de la otra, al pasar una corriente por una de ellas, creara un campo magnetico cuyo flujo penetrara a traves de la otra, de tal manera que se puede inducir una fem en cada una por el efecto de la otra.

Corriente alterna

Al conectar un alambre a las terminales de una pila se produce una corriente electrica. Los electrones que la originan van en forma constante del polo negativo al positivo en un mismo sentido, por eso se le denomina corriente continua o directa.

Cd

La corriente que se usa en las casa, fabricas y oficinas no se mueve en forma constante en el mismo sentido, si no que circula alternativamente , razon por la cual se le llama corriente alterna.

El movimiento de vaiven de los electrones cambia 120 veces por segundo por lo que su frecuencia es de 60 ciclos/segundo.

PD

Circuitos de corriente alterna

Por lo general todos los circuitos de corriente alterna tienen resistencia, inductancia y capacitancia. Cuando la capacitancia y la inductancia totales del circuito son de un valor pequeño comparadas con la resistencia podemos aplicar la ley de Ohm., para calcular la intensidad de la corriente en cualquier parte del circuito.

Pero cuando la capacitancia y la inductancia no tienen un valor pequeño producen diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje, por ello ya no podremos usar la ley de Ohm.

Reactancia capacitiva: es por definicion la propiedad que tiene un capacitor para reducir la corriente en un circuito de corriente alterna.

Reactancia inductiva: La reactancia inductiva es la capacidad que tiene un inductor para reducir la corriente en un circuito de corriente alterna

Circuito RLC en serie e Impedancia

Cuando se desea conocer cual es el valor de la resistencia total en un circuito debido a la resistencia, al inductor y al capacitador, se determina su impedancia.

En un circuito de corriente alterna la impedancia es la oposicion total a la corriente electrica .

La impedancia es respecto a las corrientes alternas lo que la resistencia es a las corrientes continuas . En otras palabras es una resistencia aparente medida en ohms.

Factor potencia

Al tratarse de circuitos de corriente alterna, la potencia electrica consumida es igual al producto del voltaje por la corriente instantaneos

Pero como a veces ambos tienen un valor igual a 0, quiere decir que la potencia esta variando en cada ciclo, por ello se debe clacular un promedio de la potencia. La potencia media consumida en cualquier circuito de corriente alterna es igual al voltaje medio cuadratico multiplicado por la corriente electrica media cuadratica y por el coseno del angulo de retraso entre ellas.

Transformadores

El transformador es otro invento realizado por Faraday, funciona por induccion magnetica

Como ya señalamos , la mayor cantidad de energia electrica utilizada en nuestros hogares, fabricas y oficinas es la producida por generadores de corriente alterna, pues su voltaje puede aumentarse o disminuirse facilmente mediante un transformador

El principio del transformador se basa en la induccion mutua.

Los transformadores se utilizan para elevar o disminuir el voltaje en un circuito de CA. Si lo elevan se denominan de subida o de elevacion.

Si lo disminuyen se llaman de bajada o de reduccion

Cd

Fd

Bobina de induccion o carrete de Ruhmkoff y Generador electrico

La bobina de induccion o carrete de Ruhmkoff se utiliza ampliamente en los laboratorios escolares con el objetivo de generar voltajes elevados. para ello, se alimenta de la energia porporcionada por una bateria o de cualquier otra fuente que proporcione una corriente continua o directa.

Dicha bobina de induccion consta de una bobina o carrete primario hecho con unas vueltas de alambre grueso, enrolladas en un nucleo de hierro, asi como una bobina de salida o carrete secudanrio con miles de vueltas.

Generador electrico

El generador electrico es un aparato que transforma la energia mecanica en energia electrica

EstD

Esta constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o imanes permanentes que producen un campo magnetico y por un inducido que cosnta de un nucleo de hierro al cual se le enrrolla alambre conductor previamnete aislado.

Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotacion, los alambres conductores cortan las lineas de flujo magnetico, por tanto, se induce en ellas un fem alterna.

Motor electrico y la sintesis de Maxwell del electromagnetismo

El desarrollo del electromagnetismo fue impulsado por muchos investigadores, de los cuales uno de los mas importantes fue Faraday , pero correspondio a Maxweel establecer la leyes del electromagnetismo en la forma en que las conocemos actualmente.

Un motor electrico transforma la energia electrica en energia mecanica

EstD

Un motor de corriente continua o directa esta constituido por una bobina suspendida entre los polos de un iman. Al circular una corriente electrica en la bobina, esta adquiere un campo magnetico y actua como un iman, por tanto, es desplaza en movimientos de rotacion, debidos a la fuerza que hay entre 2 campos magneticos

Leyes de Maxwell

Ley de Gaus para la electricidad: Cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen. En general esta ley se refiere a las cargas y campos electricos.

Ley de Gauss para el magnetismo: Es imposible aislar un polo magnetico. se refiere solo al campo magnetico.

Ley de Ampere: La magnitud de la velocidad de la luz se puede calcular por medio de mediciones puramente electromagneticas. Se refiere a el efecto magnetico de una corriente o de un campo electricovariable.

Ley de Faraday: Un iman que se hace pasar por una espira cerrada de alambre produce una corriente inducida en la espira.

Tipos de Plantas generadoras de electricidad y su transmicion

En la actualidad, las plantas electricas productoras de corriente alterna practicamente satisfacen las necesidades de energia en todo el mundo

Td

Planta Hidroelectrica: El agua de un rio, lago o deposito se dirige contra los alabes de una turbina. Debido a la presion del agua, el eje de la turbina gira y este a su vez, hace girar el rotor o inducido del generador.

Planta Termoelectrica: El agua se calienta en una caldera. Como combustible se emplea carbon, petroleo o gas natural para producir vapor a una temperatura de 540 y una presion de 25000 kilopascales. La energia del vapor se transforma en movimiento rotatorio por mediio de los alabes o paletas del rotor de la turbina.

Planta nucleoelectrica: Se emplea uranio como combustible. La fision de este se logra al hacer que un neutron golpee el nucleo de un atomo de uranio, lo divida en 2 partes y produzca la liberacion de energiay de neutronesque, a su vez golpean otros nucleos de uranio, con los que se obtiene una reaccion nuclear en cadena, misma que se controla por medio del reactor nuclear. El calor obtenido en la reaccion hace hervir agua y el vapor que se produce mueve las turbinas para que hagan girar al rotor o inducido del generador.