La electricidad y el magnetismo pueden parecer dos fuerzas separadas basadas en su vida cotidiana. La mayoría de las veces, cuando habla de electricidad, se refiere a la corriente eléctrica o las cargas eléctricas que alimentan los electrodomésticos desde su computadora portátil a algo tan simple como una bombilla.
El magnetismo no es tan común encontrado, pero todos los niños de la escuela habrán tenido contacto con imanes de barra antes, que tienen un polo norte y un polo sur, con polos similares que se repelen y polos opuestos que se atraen.
Electricidad y magnetismo en física
Esto La comprensión diaria de las cargas eléctricas y la fuerza magnética le dará una comprensión básica bastante buena de cómo funcionan la electricidad y el magnetismo, pero hay mucho más que aprender, desde el origen de los polos magnéticos hasta la ley de Ohm, la inducción electromagnética y más allá.
Si bien su experiencia cotidiana de electricidad y magnetismo puede ayudarlo a superar las situaciones cotidianas, si está tomando física a niveles más altos, necesita una comprensión mucho más profunda de los fenómenos.
Gracias a el trabajo de físicos pioneros como Michael Faraday y James Clerk Maxwell, los científicos ahora entienden que la electricidad y el magnetismo no son fuerzas separadas, sino diferentes aspectos de una de las cuatro fuerzas fundamentales: el electromagnetismo.
La realización clave detrás de esto era que los campos magnéticos se producen realmente al mover cargas eléctricas. La fuerza electromagnética está completamente descrita por las ecuaciones de Maxwell, y al final de este artículo comprenderá qué es cada una y qué le dice.
¿Qué es la electricidad?
Electricidad es el nombre coloquial para El efecto de la fuerza eléctrica, que en la mayoría de los casos implica la interacción entre los protones (las partículas cargadas positivamente en el núcleo de cada átomo) y los electrones (las partículas cargadas negativamente que existen en una nube alrededor del núcleo).
Cuando una partícula cargada está cerca de otra partícula cargada, por ejemplo, dos electrones cerca uno del otro o un electrón y un protón cerca uno del otro, tienen una interacción que generalmente se puede describir usando la ley de Coulomb. En términos generales, sin embargo, las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen, al igual que los polos iguales y opuestos en un imán.
La ley de Coulomb establece que para dos cargas, q Aquí, k Sin embargo, también puede describir la fuerza eléctrica utilizando el concepto de una fuerza eléctrica. campo, que se define como la fuerza de la fuerza en una "carga de prueba", y se define en todo el espacio con un valor en Newtons por culombio. Sin embargo, el campo eléctrico es un vector, por lo que tiene ambos una fuerza y una dirección. Si bien puede definir la intensidad del campo eléctrico E El magnetismo es un poco más complicado que la electricidad para describir de manera matemática, pero los principios básicos son muy similares. Así como las fuerzas eléctricas se describen entre las cargas positivas y negativas, las fuerzas magnéticas se describen entre los polos norte y sur (o polos positivo y negativo) de los imanes. De la misma manera que para fuerzas eléctricas, como los polos se repelen, y los polos opuestos se atraen. Las fuerzas magnéticas también se pueden describir utilizando el concepto de campos magnéticos, que, como los campos eléctricos, son campos invisibles que impregnan el espacio y representan la capacidad de la fuerza magnética para cambiar la velocidad de las partículas cargadas en las proximidades. Sin embargo, los polos magnéticos solo existen en pares, como dipolos: no hay monopolos magnéticos. Si existieran monopolos magnéticos, habría una ley simple como la ley de Coulomb que se aplicaría al magnetismo en lugar de a la electricidad, pero el magnetismo es inherentemente un poco más complicado que esto, por lo que las fuerzas magnéticas tienden a describirse en función de los campos magnéticos generados por fuentes. Por ejemplo, hay una ecuación para el campo magnético de un solenoide, el campo producido por un cable que transporta una corriente eléctrica y así sucesivamente. Los campos magnéticos generalmente se miden en unidades de Teslas (T), llamadas después del físico Nikola Tesla - o gauss (G) - llamado así por Carl Friedrich Gauss - y 1 T \u003d 10,000 G. Esto es técnicamente una medida de la densidad del flujo magnético, pero para evitar empantanarse en los detalles precisos es seguro pensar en esto significa aproximadamente lo mismo. Un imán fuerte en un laboratorio tendrá un valor de aproximadamente 1 T, mientras que un imán de refrigerador será más como 0.1 T, por lo que Gauss es a menudo la mejor unidad para usar para campos magnéticos cotidianos. Si no desea trabajar con las ecuaciones de Maxwell, que generalmente son mucho más complicadas, la mejor manera de calcular la fuerza del magnetismo es usar el Lorentz fuerza ley. Esta es una ley que abarca los campos magnéticos y eléctricos, combinando dos términos diferentes para predecir la fuerza impartida en una partícula bajo la influencia de ambos y la dirección de la fuerza resultante. Para la fuerza magnética, parte de la ley de fuerza de Lorentz es: Donde q Donde el ángulo θ La forma completa de la Ley de la fuerza de Lorentz le permite cuenta tanto el campo eléctrico como el campo magnético y tiene la forma: Donde nuevamente el q El único problema es que si no conoce los detalles sobre el campo magnético, deberá utilizar las ecuaciones de Maxwell para derivarlos. El electromagnetismo tiene una amplia gama de aplicaciones útiles, en particular relacionadas con la electricidad doméstica y la generación de energía. Por un simple ejemplo, el hecho de que las cargas en movimiento producen un campo eléctrico puede usarse para crear un electroimán: una bobina de alambre con corriente que fluye a través de él producirá un electroimán básico. Se utilizan versiones enormes y de alta potencia de esta misma tecnología básica para mover automóviles y chatarra en depósitos de chatarra, y esto es mucho más útil que un imán permanente para este propósito porque se puede apagar para dejar caer el metal. La inducción electromagnética es otro aspecto del electromagnetismo con muchas aplicaciones. Esta es una cualidad característica del vínculo fundamental entre la electricidad y el magnetismo: así como una carga en movimiento genera un campo magnético, se puede usar un campo magnético cambiante para inducir una corriente en un cable. Esto puede hacerse mediante simplemente moviendo un imán hacia atrás y hacia adelante en el medio de una bobina de alambre, o puede usar electricidad de corriente alterna (CA) para generar un campo magnético continuamente variable, y usar esto para inducir una corriente en un cable. Estas técnicas simples subyacen al funcionamiento de herramientas cruciales como generadores de energía y motores eléctricos. Los generadores de energía funcionan moviendo un cable conductor en un campo magnético, lo que induce una corriente eléctrica. Los motores eléctricos, por otro lado, usan un bucle de cable que transporta corriente dentro de un campo magnético: cuando la corriente fluye en el cable, genera un campo magnético, interactuando con el campo magnético existente y haciendo que el cable se mueva en el proceso. En resumen, los generadores convierten el movimiento en corriente, y los motores convierten la corriente en movimiento. Todo el tema del electromagnetismo se describe mejor con las ecuaciones de Maxwell. Hay cuatro ecuaciones en total: la ley de Gauss, la ley sin monopolo, la ley de Faraday y la ley de Ampere. Estos están escritos en el lenguaje del cálculo vectorial y son los siguientes: Ley de Gauss: Donde E No hay ley monopolo: Que establece que el flujo magnético fuera de cualquier superficie cerrada es cero - en otras palabras, ¡los monopolos magnéticos no existen! Ley de Faraday: Donde ϕ Ley de amperios: Donde μ Mientras que El lenguaje matemático de las ecuaciones de Maxwell es complejo (y no se puede introducir lo suficiente en este artículo), ya debe comprender los principios de electromagnetismo que transmiten. El proceso de usar las ecuaciones generalmente implica elegir una ecuación apropiada: La ley de Gauss para calcular un campo eléctrico debido a cierta acumulación de carga, la ley de Faraday para calcular el campo eléctrico inducido debido a un campo magnético cambiante, y la ley de Ampere para calcular los campos magnéticos causados por una corriente eléctrica, y luego realizar una integral sobre un superficie elegida adecuadamente o un área para resolver. La superficie o área plana es puramente teórica, pero se usa para caracterizar los campos en un espacio tridimensional. Esto a menudo se puede simplificar si asume un campo uniforme a través de la superficie o área elegida. Por ejemplo, la ley de Gauss para una esfera de carga cerrada puede simplemente escribirse: Lo que puede ver simplifica considerablemente su uso. También deja en claro que puede derivar la ley de Coulomb de esta ecuación.
1 y < em> q
2, separados por una distancia r
, la fuerza eléctrica tiene la magnitud:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
\u003d 1 /4πε 0 \u003d 9 × 10 9 N m 2 /C 2 y ε 0 es una constante llamada permitividad del espacio libre . Si está familiarizado con la ley de la gravitación universal, notará que la ley de Coulomb tiene una forma muy similar, con los cargos en lugar de las masas y k
en lugar de G
. En particular, ambas son leyes cuadradas inversas, por lo que mover la carga el doble de distancia disminuye la fuerza de la fuerza en un factor de cuatro.
simplemente como E
\u003d F
/ q
, donde q
es la carga de prueba, la ecuación más útil para esto es la ley de Gauss, una de las ecuaciones de Maxwell, que se tratará más adelante.
¿Qué es el magnetismo?
La ley de la fuerza de Lorentz y el magnetismo
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}
es la carga de la partícula que viaja a través del campo, v es su (vector) velocidad, y B es el campo magnético. También debe tener en cuenta que el símbolo × no es una simple multiplicación, sino un producto vectorial, que produce una fuerza en una dirección dada por la regla de la mano derecha. Simplemente, la fuerza de la fuerza impartida sobre la partícula viene dada por:
F \u003d qvB \\ sin (θ)
es el ángulo entre la dirección de la velocidad de la partícula Esto le dice de inmediato que la interacción es más fuerte cuando la partícula viaja en un ángulo de 90 grados (es decir, perpendicular) al campo magnético.
La Ley de la Fuerza de Lorentz
\\ bold {F} \u003d q (\\ bold {E + v × B})
es la carga de la partícula, v es su velocidad y B es la intensidad del campo magnético, pero ahora se ha tenido en cuenta la contribución del campo eléctrico E. Si tiene el valor del campo magnético, el campo eléctrico, la carga de la partícula y su velocidad, puede calcular la fuerza y su dirección con relativa facilidad utilizando la ley de fuerza de Lorentz.
Electromagnetismo y aplicaciones
Las ecuaciones de Maxwell
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {A} \u003d \\ frac {q} {ε_0 }
es el campo eléctrico, q
es la carga total y ε
0 es la permitividad del espacio libre. En palabras, esto dice que el flujo eléctrico de cualquier superficie cerrada es igual a la carga cerrada dividida por la permitividad del espacio libre.
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {A} \u003d 0
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \\ frac {∂ϕ_B} {∂t}
B es el flujo magnético. Esto indica que el campo eléctrico alrededor de un circuito cerrado es igual a menos la tasa de cambio del flujo magnético a través de ese circuito; esta ley describe el proceso de inducir una corriente en un cable utilizando un campo magnético cambiante.
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \u003d μ_0I + \\ frac {1} {c ^ 2} \\ frac {∂} {∂t} \\ int \\ bm {E } ∙ d \\ bm {A}
0 es la permeabilidad del espacio libre, y I
es la corriente que fluye a través del bucle. Esto indica que la integral de línea del campo magnético alrededor de un circuito cerrado es proporcional a la corriente que fluye a través del mismo circuito; en otras palabras, que las corrientes eléctricas generan campos magnéticos.
Uso de las ecuaciones de Maxwell
E 4πr ^ 2 \u003d \\ frac {q} {ε_0}
