Tema 2. Los fenómenos electromagnéticos y su importancia

El descubrimiento de la inducción electromagnética

 

El electromagnetismo es una rama de la física que

 estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos, que están estrechamente relacionados. El electromagnetismo inicialmente se estudiaba de manera separada: por un lado los fenómenos eléctricos y por otro los magnéticos, hasta que Oersted, casi de manera casual, descubrió que están interconectados.

Quien unió estas ideas y las sintetizó en un pequeño conjunto de ecuaciones fue Maxwell y en su honor dichas leyes se conocen como Leyes de Maxwell. Éstas describen por completo el campo electromagnético en función de un campo eléctrico y un campo magnético.

Michael Faraday había nacido en un hogar pobre en las afueras de Londres y sólo había recibido poco más que la educación primaria. A los 21 años fue contratado como asistente del célebre químico Humphry David, junto a quien comenzó a realizar investigación acerca de diversos fenómenos de electricidad,siempre convencido de que en realidad la electricidad era sólo una de las muchas manifestaciones de las fuerzas unificadas de la naturaleza. Fue Faraday quien introdujo el concepto de líneas de fuerza, siendo el primer científico en reconocer la relevancia física de los campos eléctricos y magnéticos, al notar que estos no son solamente artilugios matemáticos que dictan el movimiento de las partículas sino que además llevan energía. Si bien Faraday intentaba llevar a cabo su trabajo más ligado a las observaciones experimentales que a la matemática que puede describir esos fenómenos, fue él mismo quien en su último trabajo propuso una descripción de la gravitación en términos de campos de fuerza. Esa idea sería aceptada por la comunidad científica sólo muchos años después.

La electricidad y el magnetismo se unen para siempre

Basado en el principio de conservación de la energía,"La energía no se crea ni se destruye,solo se transforma de manera que la energía total es constante"

 

 

Faraday pensaba que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, entonces un campo magnético debía también producir una corriente eléctrica. En 1831, llevó a cabo una serie de experimentos que le permitieron descubrir el fenómeno de inducción. Encontró, entre otras cosas, que moviendo un imán a través de un circuito cerrado de alambre conductor se generaba una corriente eléctrica y que además esta corriente también aparece al mover el alambre sobre el mismo imán quieto. 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. El mismo Faraday utilizó este principio básico para construir la dínamo (generador eléctrico), logrando por primera vez convertir energía mecánica en eléctrica, y sentando las bases para uno de los más grandes desarrollos tecnológicos y económicos de la historia, con la invención del motor eléctrico y los generadores.

 

 

Hans Christian Oersted

 

Fue un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 ya predijo la existencia de los fenómenos electromagnéticos, que no demostró hasta 1820, inspirando los desarrollos posteriores de André-Marie Ampère y Faraday, cuando descubrió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor eléctrico, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por una corriente eléctrica, e iniciándose de ese modo el estudio del electromagnetismo. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Oersted es la unidad de medida de la reluctancia magnética. Se cree que también fue el primero en aislar el aluminio, por electrólisis, en 1825, y en 1844 publicó su Manual de física mecánica.

 

 

El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo

   Un electroimán es un imán que funciona con electricidad. Puede conectarse y desconectarse. Las bobinas están casi siempre hechas de alambre de cobre porque es un conductor eléctrico excelente.Un imán atrae a algunos metales como el hierro. Decimos que estos metales son magnéticos.

 

Los electroimanes tienen muchos usos. Algunos ejemplos son: 

• Un timbre eléctrico - Los electroimanes hacen que el martillo vibre de acá para allá, tocando el timbre.

• Una cerradura eléctrica - Cuando se ha contestado al interfono, la puerta puede abrirse desde el piso de arriba. Un electroimán tira del cerrojo para abrirlo. Cuando se desconecta, el cerrojo vuelve atrás.

• Una grúa - Una grúa para chatarra puede levantar un coche entero. Lo mueve a su posición, y se desconecta para soltarlo.

• Una herramienta de cirujano - Un cirujano oftalmólogo puede sacar restos de acero del ojo de un paciente usando un electroimán. Se aplica corriente hasta que tira sólo lo suficiente para quitar suavemente el metal.

 

 

Un imán no tiene que tocar otro imán para atraerlo o repelerlo. La fuerza del imán se extiende. Es una fuerza invisible que trabaja a distancia. Decimos que hay un campo magnético alrededor del imán. El campo magnético es la región en la que actúa la fuerza de un imán. El campo magnético es invisible. Tenemos que utilizar algunos trucos inteligentes para ver su forma.

¿Cómo podemos ver el campo magnético?

Se puede ver la forma del campo magnético usando limaduras de hierro:

• se coloca un trozo de cartón sobre el imán
• suavemente espolvoreamos algunas limaduras de hierro en el cartón
• se da un golpecito al cartón de modo que las limaduras de hierro se alineen con el campo magnético.
• se mira el modelo hecho por las limaduras de hierro

¿En qué dirección va el campo magnético?

Las limaduras de hierro nos dicen la forma del campo magnético. Sin embargo, es también útil saber en qué dirección va el campo - es decir, si va a atraer o repeler un polo norte de otro imán.

 

Podemos encontrar esto utilizando una pequeña brújula. La aguja de la brújula es en sí misma un pequeño imán. Su flecha es un polo norte. De modo que la brújula señala fuera del polo norte del imán.

 

 

Aplicaciones del electromagnetismo

El transformador eléctrico

Los circuitos electrónicos suelen utilizar tensión continua, con valores comprendidos entre 3 y 25 V, para lo cual basta conectar a los mismos baterías o pilas que proporcionen dicho tipo de tensión.

La mayoría de los aparatos electrónicos disponen a menudo de la posibilidad de ser enchufados a las tomas de corriente alterna cuyo valor eficaz es de 230 V. Esto significa que se necesita un dispositivo que reduzca este último valor a una magnitud de tensión inferior, semejante a la que nos proporcionaría una pila o batería.

El dispositivo encargado de esta conversión en los valores de la tensión es el transformador. Su funcionamiento se basa en las propiedades que presentan las bobinas.

 

 

 

El motor eléctrico

  Si colocamos una espira rectangular por la que circula una corriente eléctrica en el interior de un campo magnético uniforme, la espira experimentará un giro. Si la espira se conecta a un eje, podremos convertir la energía eléctrica que circula por la espira en energía mecánica. Precisamente esta es la base de los motores eléctricos, aunque en lugar de emplear una espira utilizaremos una bobina, ya que así el efecto resultante será mucho mayor.

 

 

 

Existen miles de aplicaciones del electromagnetismo entre algunas de ellas esta:

  

 Teléfono

Celular
Telégrafo
Audífonos
Guitarra eléctrica
Lector de tarjetas de crédito
Radio
Televisiones
Controles remoto
Rayos x

 

 

 

 

 

 

 

Esta es la primera parte de estos videos que explican los diferentes usos del electroimán

 

Composición y descomposición de la luz blanca

 

La luz es energía radiante, electromagnética.

La luz blanca es la suma de las vibraciones electromagnéticas con longitudes de onda de 350 a 750 nanómetros. Newton logro descomponerla en sus colores espectrales también conocidos como los colores del arcoíris. Cada color del arcoíris es un color puro ó también llamado monocromático. Un prisma significa cuerpo geométrico cristalino y base triangular que se usa en Óptica para reflejar refractar y descomponer la luz.

La luz blanca se descompone al hacerla pasar por un prisma & origina estos colores:

• Rojo
• Naranja
• Amarillo
• Verde
• Azul
• Añil
• Violeta 

 

 

Esto demuestra que la luz blanca está formada por la unión de todos estos colores. Cada uno sufre una desviación o se curvea de una manera distinta, el color rojo es el que menos se refracta.

 

 

 

 

  Características del espectro electromagnético y el espectro visible: velocidad ,frecuencia, longitud de onda y su relación con la energía

 

Espectro electromagnético:

El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna hasta los rayos gamma que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

 

 

Tipos de radiación

Aunque el esquema de clasificación suele ser preciso, en realidad existe algo de trasposición entre tipos vecinos de energía electromagnética. Por ejemplo, las ondas de radio a 60 Hz pueden ser recibidas y estudiadas por astrónomos, o pueden ser conducidas a lo largo de cables como energía eléctrica. También, algunos rayos gamma de baja energía realmente tienen una longitud de onda más larga que algunos rayos X de gran energía. Esto es posible porque "rayo gamma" es el nombre que se le da a los fotones generados en la descomposición nuclear u otros procesos nucleares y subnucleares, mientras que los rayos X son generados por transiciones electrónicas que implican electrones interiores muy energéticos. Por lo tanto, la diferencia entre rayo gamma y rayo X está relacionada con la fuente de radiación más que con la longitud de onda de la radiación. Generalmente, las transiciones nucleares son mucho más energéticas que las transiciones electrónicas, así que los rayos gamma suelen ser más energéticos que los rayos X. Sin embargo, hay transiciones nucleares de baja energía (p.ej. la transición nuclear de 14.4 keV del Fe-57) que producen rayos gamma que son menos energéticos que algunos de los rayos X de mayor energía.

Radiofrecuencia
Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamaño apropiado (según el principio de resonancia), con longitudes de onda en los límites de cientos de metros a aproximadamente un milímetro. Se usan para la transmisión de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas y de radio-aficionados, son algunos usos populares de las ondas de radio.

Las ondas de radio pueden transportar información variando la combinación de amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El uso del espectro de radio está regulado por muchos gobiernos mediante la asignación de frecuencias. Cuando la radiación electromagnética impacta sobre un conductor, se empareja con él y viaja a lo largo del mismo, induciendo una corriente eléctrica en la superficie de ese conductor mediante la excitación de los electrones del material de conducción. Este efecto (el efecto piel) se usado en las antenas. La radiación electromagnética también puede hacer que ciertas moléculas absorban energía y se calienten, una característica que se utiliza en en los microondas.

Microondas
La frecuencia super alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF) de las microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son ondas los suficientemente cortas como para emplear guías de ondas metálicas tubulares de diámetro razonable. La energía de microondas se produce con tubos klistrón y tubos magnetrón, y con diodos de estado sólido como los dispositivos Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para calentar la comida. La radiación de microondas de baja intensidad se utiliza en Wi-Fi.

El horno microondas promedio, cuando está activo, está en un rango cercano y bastante poderoso como para causar interferencia con campos electromagnéticos mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos médicos móviles y aparatos electrónicos baratos.

Rayos T
La radiación de terahertzios (o Rayos T) es una región del espectro situada entre el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango estaba muy poco estudiado, ya que apenas había fuentes para la energía microondas en el extremo alto de la banda (ondas submilimétrica o también llamadas ondas terahertzios). Sin embargo, están apareciendo aplicaciones para mostrar imágenes y comunicaciones. Los científicos también buscan aplicar la tecnología de rayos T en las fuerzas armadas, donde podrían usarse para dirigirlas a las tropas enemigas, ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos electrónicos.

Radiación infrarroja

La parte infrarroja del espectro electromagnético cubre el rango desde aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser dividida en tres partes:

* Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 μm). La parte inferior de este rango también puede llamarse microondas. Esta radiación es absorbida por los llamados modos rotatorios en las moléculas en fase gaseosa, mediante movimientos moleculares en los líquidos, y mediante fotones en los sólidos. El agua en la atmósfera de la Tierra absorbe tan fuertemente esta radiación que confiere a la atmósfera efectividad opaca. Sin embargo, hay ciertos rangos de longitudes de onda ("ventanas") dentro del rango opaca¡o que permiten la transmisión parcial, y pueden ser usados en astronomía. El rango de longitud de onda de aproximadamente 200 μm hasta unos pocos mm suele llamarse "radiación submilimétrica" en astronomía, reservando el infrarrojo lejano para longitudes de onda por debajo de los 200 μm.

* Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 μm). Los objetos calientes (radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango. Se absorbe por vibraciones moleculares, es decir, cuando los diferentes átomos en una molécula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio. Este rango es llamado, a veces, región de huella digital, ya que el espectro de absorción del infrarrojo medio de cada compuesto es muy específico.

* Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos físicos que son relevantes para este rango son similares a los de la luz visible.

Radiación visible (luz)

La frecuencia por encima del infrarrojo es la de la luz visible. Este es el rango en el que el Sol y las estrellas similares a él emiten la mayor parte de su radiación. No es probablemente una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las longitudes de onda que el sol emite con más fuerza. La luz visible (y la luz cercana al infrarrojo) son absorbidas y emitidas por electrones en las moléculas y átomos que se mueven desde un nivel de energía a otro. La luz que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético; el infrarrojo (si pudiera verse) estaría localizado justo a continuación del lado rojo del arco iris, mientras que el ultravioleta estaría tras el violeta.

La radiación electromagnética con una longitud de onda entre aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida como luz visible. A otras longitudes de onda, sobre todo al infrarrojo cercano (más largo de 700 nm) y al ultravioleta (más corto que 400 nm) también se les llama luz a veces, sobre todo cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.

Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro electromagnético se refleja en un objeto, como por ejemplo un plato hondo de fruta, y luego impacta en nuestros ojos, obtenemos una percepción visual de la escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias reflejadas en diferentes sombras y matices, y a través de este fenéomeno psicofísico que todavía no se entiende completamente, es como percibiríamos los objetos.

En la mayor parte de las longitudes de onda, sin embargo, la información transportada por la radiación electromagnética no es directamente descubierta por los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética a través del espectro, y nuestra tecnología también puede manipular un amplio rango de longitudes de onda. La fibra óptica transmite luz que, aunque no es adecuada para la visión directa, puede transportar datos que luego son traducidos en sonido o imagen. La codificación usada en tales datos es similar a lo que se usa con las ondas de radio.

Luz ultravioleta

La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es la radiación cuya longitud de onda es más corta que el extremo violeta del espectro visible.

Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos, haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, están causadas por los efectos perjudiciales de la radiación UV en las células de la piel, y pueden causar incluso cáncer de piel si la radiación daña las moléculas de ADN complejas en las células (la radiación UV es un mutágeno). El Sol emite una gran cantidad de radiación UV, lo que podría convertir rápidamente la Tierra en un desierto estéril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de ozono de la atmósfera antes de alcanzar la superficie.

Rayos X

Después del ultravioleta vienen los rayos X. Los rayos X duros tienen longitudes de onda más cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente para ver a través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía. Las estrellas de neutrones y los discos de acreción alrededor de los agujeros negros emiten rayos X, lo que nos permite estudiarlos.

Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en medicina e industria. También son emitidos por las estrellas, y especialmente por algunos tipos de nebulosas. Un aparato de radiografía funciona disparando un haz de electrones sobre un "objetivo". Si los electrones se disparan con suficiente energía, se producen rayos X.

Rayos gamma

Después de los rayos X duros vienen los rayos gamma. Son los fotones más energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda. Son útiles a los astrónomos en el estudio de objetos o regiones de alta energía, y son útiles para los físicos gracias a su capacidad penetrante y su producción de radioisótopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran exactitud por medio de dispersión Compton.

No hay ningún límite exactamente definido entre las bandas del espectro electromagnético. Algunos tipos de radiación tienen una mezcla de las propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro. Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede resonar algunos enlaces químicos.

 

 

Espectro visible:

El espectro visible de luz es el espectro electromagnético que es visible para el ojo humano.

Va desde una longitud de onda de 400 nm hasta 700 nm. También se conoce con otro nombre: el espectro óptico de la luz.

 

 

 

Longitud de onda

La longitud de onda (la cual está relacionada a la frecuencia y la energía) de la luz es la que determina el color que percibimos. El rango de estos diferentes colores es bastante amplio y extenso.

Hay algunos estudiosos y científicos que no están de acuerdo entre sí sobre los diferentes rangos de las longitudes de onda, por lo que es difícil calcular con precisión en dónde comienza y donde acaba cada color

Esto ocurre ya que los límites de los colores se aproximan a medida que los mismo se van mezclando unos con otros (o sea, en otras palabras, en las últimas longitudes en las que termina un color, ya se está formando el siguiente).

Los límites del espectro de luz visible terminan en la luz ultravioleta y en los infrarrojos.

 

 

 

 

 

 

 

La luz como onda y partícula

 

¿La luz es una onda que se propaga como las olas del mar? Si, al fin y al cabo, los distintos colores de la luz se expresan como distintas longitudes de onda, más corta la azul, más larga la roja... ¿Pero no es también una partícula, como muestra el hecho de que el fotón, la partícula de luz, interacciona como un objeto cuando golpea a otro objeto, ya sea otra partícula u otro átomo? La respuesta está en la mecánica cuántica, la teoría desarrollada en el siglo XX que describe con asombroso éxito y precisión el mundo microscópico y que resulta igualmente asombrosa por sus reglas contrarias a menudo a la intuición. La luz es a la vez onda y partícula. Numerosos experimentos se han hecho a lo largo de los años que demuestran esta rara dualidad y en los que los fotones son ondas o son partículas dependiendo del aparato con que se mida.

La cuestión viene de lejos, de mucho antes de convertirse en uno de los pilares de la mecánica cuántica. Isaac Newton, en el siglo XVII, con sus experimentos de óptica, definió la luz como partículas de diferentes colores. Para otro sabio, Christiaan Huygens, la luz eran ondas, como las olas en el agua. La balanza se decantó después en el mundo de la física a favor de las ondas, con el sobresaliente éxito de James Clerk Maxwell y su teoría del electromagnetismo. Albert Einstein y la mecánica cuántica, ya en el siglo XX, zanjaron la cuestión, pero de la forma más rara: la luz es a la vez onda (electromagnética) y partícula (el fotón, o cuanto de energía, como postuló Einstein). Esta dualidad, además, no se limita a la luz en el mundo cuántico, ya que también se verifica en otras partículas, como el electrón, o incluso en átomos enteros.

 

La luz puede considerarse formada por partículas (los fotones) o por ondas (el campo electromagnético)