sábado, 18 de mayo de 2013

Electricidad: Electromagnetismo, Campo Eléctrico, Potencial Eléctrico y Capacitancia.

Electricidad


(del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.




Magnetismo


El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro,cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.

Electromagnetismo


Como bien lo dice su nombre, es la unificación de ambos fenómenos físicos, y se puede estudiar como uno sólo. El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo como se conoce en la actualidad.

La naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad que tienen el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. La cantidad de energía transportada por una onda electromagnética depende de su frecuencia (longitud de onda) entre mayor su frecuencia mayor es la energía:

W = h f, 

-Donde W es la energía
-h es una constante (la constante de Plank) 
-f es la frecuencia.

El plano de oscilación del campo eléctrico (rayas rojas en el diagrama superior) define la dirección de polarización de la onda . Se dice que una fuente de luz produce luz polarizada cuando la radiación emitida viene con el campo eléctrico alineado preferencialmente en una dirección.

El electromagnetismo estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría aportada por Faraday, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones de Maxwell . Gracias a la invención de la pila de limón, se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor. De esta manera es la parte de la Física que estudia los campos electromagnéticos y los campos eléctricos , sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo y las partículas subatómicas que generan flujo de carga eléctrica; el electromagnetismo, por ende se comprende que estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.


Campo Eléctrico


El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modeloque describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica.1 se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor sufre los efectos de una fuerza eléctrica dada por la siguiente ecuación:

(1)

En los modelos relativistas actuales, el campo eléctrico se incorpora, junto con elcampo magnético, en campo tensorial cuadridimensional, denominado campo electromagnético Fμν.2

Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como encampos magnéticos variables.




Potencial Eléctrico


Este es definido como potencial eléctrico es el trabajo realizado en un punto específico por un campo electrostático, para poder trasladar una carga q positiva desde el punto de referencia mencionado, este se encuentra dividido por una carga de prueba.

Mas precisamente se puede definir lo anterior como el trabajo necesario de hacer por cierta fuerza externa para poder mover o atraer alguna carga unitaria q desde su punto de referencia hasta un punto determinado que se manifiesta en contra de la fuerza eléctrica, se debe considerar que el potencial eléctrico solo es válido en un campo estático creado por algunas cargas que pertenecen a una zona finita dentro de un espacio.

La unidad de potencial eléctrico en el sistema internacional es el volt (V), si se encuentra que cualquier punto en un campo eléctrico tienen un mismo potencial eléctrico, se dice que estos puntos forman una superficie potencial. Cuando se encuentra una carga dentro de un campo eléctrico, a esta carga se le ejerce una fuerza eléctrica, la cual es descrita por la siguiente expresión:



Para entender el potencial eléctrico es necesario hacer la siguiente simulación, digamos que se tienen dos placas en forma paralela una con respecto a otra, una placa se encuentra cargada positivamente mientras que la otra presenta una carga negativa, eta placas presenta una separación de d, se contempla una carga q que se encuentra entre las dos placas(A y B), esta carga se le ejerce una fuerza dada por la formula mencionada anteriormente, de forma que se puede obtener el trabajo que lleva a cabo el campo eléctrico debido a esta fuerza para mover la carga de la placa A hacia la placa B, de manera que tenemos:



O también:



De forma que la energía potencial eléctrica que es obtenida por esta carga en la placa B con cierta relación con la placa A, y se expone lo anterior mediante la siguiente expresión:



Cuando se aplica el concepto de potencial eléctrico en la industria o en lugares donde comúnmente se aplica, lo que se busca es el trabajo que se necesita para trasladar una carga unitaria de algún punto a otro diferente, aquí es donde entra la siguiente relación, ya que el trabajo que se emplea en contra de alguna fuerza eléctrica para trasladar una carga en un punto/placa A hacia un punto/placa B es equivalente a una diferencia de energía potencial entre estas posiciones (punto A y punto B), de forma que se puede definir la diferencia de potencia de la siguiente forma;

Una diferencia de potencia V en algún punto es equivalente al trabajo por unidad de carga, e cual se ejecuta en forma contraria a una fuerza eléctrica cundo se mueve alguna carga considerada de prueba, desde un punto hacia otro, esto se expresa matemáticamente de la siguiente manera:



Como expresa la formula anterior, la diferencia de potencia que está presente entre dos placas o puntos cargadas de forma opuesta (una positiva y otra negativa) es equivalente a la multiplicación de la distancia que separa a las dos placas o puntos por la intensidad del campo.

Capacitancia


Se le denomina capacitancia a la capacidad presente en ciertos cuerpos para almacenar o mantener una carga eléctrica, además también es empleada como una medida de una cantidad de energía eléctrica que se encuentra almacenada en un potencial eléctrico definido, la capacitancia es relacionada directamente con el capacitor o también denominado condensador, debido a que este tiene la propiedad de almacenar energía.

Esta capacitancia presente en un capacitor o condensador, depende estrictamente de ciertas características físicas de este, tales como:

El capacitor tiene dos placas que están frente a frente, si el área de esta placas es grande, la capacitancia del condensador aumenta.

Si las placas antes mencionadas, si la distancia entre ellas incrementa, la capacitancia del condensador disminuye.

La capacitancia de un condensador o capacitor es afectada por el material dieléctrico que se encuentra la placas, algunos materiales dieléctricos aumentan la capacitancia otro la disminuye.

Por último si llegase a ver un aumento de voltaje, loricadamente, también aumenta la carga almacenada.

Entre más voltaje de le aplique a un capacitor, habrá un incremento en el voltaje entre sus placas, de forma que el aumento de la carga Q es proporcional al voltaje, donde se tiene una constante de proporcionalidad denominada capacitancia (C.), de manera que se tiene la siguiente expresión:



Despejamos la constante de proporcionalidad (capacitancia) y se tiene:



En el sistema internacional, la capacitancia tiene como unidad de medida el farad (F), o faradio, en homenaje al físico Michael Faraday.

Como información adicional, se debe tomar en cuenta que un capacitor (condenador) tendrá una faradio de capacitancia si cuando recibe una carga de un Coulomb, el voltaje del capacitos incrementa a un voltaje de un volt.

Casi la mayoría de las veces (en especial en electrónica), al ser el valor de a capacitancia muy grande, se utilizan submúltiplos del mismo valor, es decir:







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