Segundo Grado

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia


Los fenómenos electromagnéticos son los efectos relacionados con el comportamiento de imanes: cuando dos imanes interactúan los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen.

El electromagnetismo es la fuerza que causa la interacción entre las partículas cargadas eléctricamente, las áreas en las que esto ocurre se conocen como campos electromagnéticos. Es el responsable de prácticamente todos los fenómenos relacionados con la vida diaria a excepción de la gravedad.

El electromagnetismo es también la fuerza que tienen electrones y protones juntos dentro de los átomos, que son los componentes básicos de la moléculas.

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia

El electromagnetismo, como su nombre lo indica, manifiesta dos fenómenos:

1.- Los campos eléctricos son la causa de varios fenómenos comunes como el potencial eléctrico (voltaje de una batería) y la corriente eléctrica (el flujo de electricidad a través de una línea que hace encender un foco, linterna o lámpara).

2.- Los campos magnéticos son la causa de los fenómenos asociados a imanes (la brújula, bocinas, etc)

Las implicaciones teóricas del electromagnetismo llevaron a Albert Einstein a desarrollar su teoría de la relatividad en el año de 1905.

Hay cuatro principales efectos derivados de la electricidad y magnetismo, todos han sido claramente demostrados en experimentos:

  1. Las cargas eléctricas se atraen o repelen entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Cargas diferentes se atraen y cargas iguales se repelen.
  2. Una corriente eléctrica en un cable crea un campo magnético circular alrededor del alambre en su dirección en función de la corriente.
  3. Una corriente se induce en un aro de alambre cuando se mueve hacia o lejos de un campo magnético, o un imán se mueve hacia o lejos de la dirección de la corriente en función del movimiento.
  4. Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820 cuando su relación fue descubierta por casualidad por Christian Oersted, este científico estaba preparando una de sus clases y movió una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica, notó que la aguja se deflactaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo encontrando en un accidente lo que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.

Fenómenos electromagnéticos

Son los que producen un campo magnético que surge cuando existe una carga en movimiento en una corriente (o hasta en un átomo) y dipolos magnéticos intrínsecos. Es así que el magnetismo se observa siempre que hay partículas cargadas eléctricamente que están en movimiento.

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría cuyos fundamentos fueron presentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de manera completa por James Clerk Maxwell quien hizo el mayor aporte a la ciencia dentro de la teoría electromagnética, esta teoría propone que la luz, el magnetismo y la electricidad son parte de un mismo campo llamado electromagnetismo y en el que se mueven y propagan en ondas transversales.

Faraday, en base a los descubrimientos de Oersted como de Ampere, se planteó las siguientes cuestiones: ¿se puede obtener magnetismo de la electricidad? ¿sería posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inició una serie de experimentos para dar respuestas a estas preguntas, después de varios experimentos, Faraday concluyó que en un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta una batería, sí hay corriente en la bobina. Siguiendo esta idea descubrió que efectivamente se producen corrientes eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si este es constante no hay ninguna producción de electricidad por magnetismo.

Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday

Ley de inducción

A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos, Faraday los llamó corrientes inducidas. Desde entonces, el fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables, se denomina inducción electromagnética y esta constituye una pieza fundamental en ese sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre de electromagnetismo.

La ley de inducción de Faraday establece que un campo magnético que cambia con el tiempo genera una corriente eléctrica en un conductor. También razonó que si se lograba que el cambio en el campo magnético fuera constante, produciría una corriente continua. Demostró que era posible generar corriente usando la inducción electromagnética al encontrar que si el campo magnético cercano a un alambre cambia, se produce una corriente.

La Ley de inducción de Faraday establece que un campo magnético que cambia con el tiempo genera una corriente eléctrica en un conductor.

Experimento de Faraday

En 1821, Faraday decidió reproducir los experimentos reportados, pero las explicaciones que encontró no le satisfacían así que elaboró las suyas y realizó nuevos experimentos. El experimento contó con dos bocinas para verificar el tipo de fuerzas que se genera entre ellas, así encontró que la corriente en un alambre puede generar otra corriente en otro alambre, cuando la corriente del alambre sea continua. Él descubrió cómo producir corriente eléctrica usando imanes y campos electromagnéticos.

El experimento de Oersted

En 1819 Oersted observó que cuando una corriente circula por un alambre se crea un campo magnético a su alrededor por lo que concluyó que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban estrechamente relacionados.

Aportación de Ampere

En 1920, Ampere presentó los resultados de sus investigaciones respecto a que dos alambres conductores ejercen fuerza uno sobre otro.

 

Aplicaciones del electromagnetismo en la vida diaria

Algunas aplicaciones del electromagnetismo son:

  • Efecto de los imanes: el magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.
  • Electroimán se utiliza en los timbres, para separar latas y clavos en vertederos y en la manipulación de planchas metálicas. es un imán accionado por electricidad, al pasar la corriente eléctrica por un cable se crea un campo magnético. Si ahora el hilo, po el que pasa la corriente, se enrolla en forma de hélice se forma un selenoide. Si introducimos un núcleo de hierro dentro del selenoide, la fuerza magnética se transmitirá a través de él transformándolo en un imán mientras esté pasando la corriente eléctrica. Cuando se interrumpe la corriente eléctrica desaparece la imantación aunque el núcleo permanezca levemente imantado. El electroimán se comporta igual que un imán con la diferencia de que su intensidad puede controlarse, cambiando la intensidad de la corriente que circula o cambiando el número de espirales de la bobina. Además, cuando se desconecta la batería se corta la corriente y desaparece el magnetismo.
  • Relé se usa en interruptores y conmutadores.
  • Alternador es una máquina electromagnética que sirve para genera corriente
  • Dínamo se utiliza para obtener corriente continua en los carros
  • Transformador es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna manteniendo la potencia.
  • Ondas electromagnéticas consisten en la propiedad que tiene el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambia en el tiempo. Viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. Se usan en las señales de radio y televisión, en ondas de radio provenientes del espacio, microondas, radiación infrarroja proveniente de cuerpos a temperatura ambiente, la luz, la radiación ultravioleta del sol, los rayos X usados para tomar radiografías del cuerpo humano, la radiación gama producida por núcleos radioactivos.

Composición y descompensación de la luz blanca

La luz blanca es la suma de las vibraciones electromagnéticas con longitudes de onda de 350 a 750 nanómetros, se forma por saltos de los electrones en la órbita de los átomos. La luz es partícula y onda, Isacc Newton logró descomponerla en sus colores espectrales por medio de un prisma.

La luz se comporta como materia y como onda. La energía del sol llega a la tierra en forma de ondas. La luz viaja en línea recta, por eso nuestros ojos perciben las imágenes de forma invertida. En el arcoiris se descompone la luz blanca en diferentes colores que van del rojo al violeta, cada color que lo compone tiene su longitud de onda fija y, por lo tanto, con diferentes frecuencias de ondas.

Los colores que componen el arcoiris son: rojo (longitud de onda 627-770 ondas de menor energía), naranja (longitud de onda 589-627), amarillo (longitud de onda 566-589), verde (longitud de onda 495-566), azul (longitud de onda 439-495), violeta (longitud de onda 380-436 que son las ondas de mayor energía).

Cualquier onda electromagnética posee una cantidad determinada de energía que es inversamente proporcional a la longitud de onda. Dada esa propiedad, un rayo láser puede generar energía suficiente como para cortar metales, láminas de plásticos o sustituir el bisturí en operaciones quirúrgicas tan delicadas como la de la vista.

Al contrario de la luz blanca, cuyos rayos se consideran incoherentes por estar compuesta de ondas magnéticas de frecuencias y longitudes de ondas diferentes, la luz que proporciona el dispositivo láser se considera coherente porque está compuesto por un rayo de luz de la misma frecuencia y longitud de onda, amplificado miles de veces para incrementar su energía, por ese motivo la luz del rayo láser es siempre monocromático (que está compuesto con vibraciones de la misma frecuencia), siendo la roja la más común y conocida, aunque existen láser de otros colores.

La propagación de las ondas de luz constituye el fenómeno físico más rápido del universo pues sus rayos se desplazan por el espacio a una velocidad aproximada a los 300 mil kilómetros por segundo. Esta velocidad tiende a disminuir cuando los rayos tienen que atravesar diferentes sustancias como el aire, el cristal o el agua. En la medida que una sustancia, elemento o materia afecte la velocidad de propagación de las ondas de luz, así será la refracción que sufran sus rayos.

La luz como onda y partícula

En el siglo XVII los físicos pensaban que la luz era una partícula mientras que otros opinaban que era una onda. Para el siglo XIX ya aparecía la luz como una onda electromagnética.

En 1900, Max Planck demostró que la luz consistía en paquetes de energía a los cuales llamó “cuantos” y en 1905, Albert Einstein demostró que la luz se comportaba como una partícula o paquete llamada “Fotón” en su famoso trabajo sobre el “efecto fotoeléctrico” que se produce cuando la luz golpea algunos metales y les arranca electrones. Este es el mismo fenómeno que hace que se abran las puertas automáticamente, como cuando ingresamos a un centro comercial.

La luz presenta una naturaleza dual, sin embargo en un experimento dado, solamente presenta una de sus dos facetas y no ambas. La materia está compuesta por protones de carga positiva, electrones con carga negativa y los neutrones con carga neutra y además está la luz. La visión clásica del átomo es como un sistema solar en miniatura.

Louis de Broglie, en 1925 propuso y formuló matemáticamente que no sólo la luz tiene un comportamiento dual sino también lo tienen todas las partículas sub-atómicas, algo que era revolucionario para esa época, en ese momento nació la mecánica cuántica.

El descubrimiento de la naturaleza dual, tanto de electrones como en el caso de la luz, que podían comportarse como ondas y como partículas, revolucionó a la física moderna.

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

El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las ondas  electromagnéticas. Referido a un objeto es la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) ya sea en la tierra o en el espacio estelar.

En este sentido el espectro sirve para identificar cualquier sustancia. Es como una huella dactilar de un cuerpo cualquiera. El espectroscopio es un aparato que sirve para observar los espectros, además, se puede medir la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma, rayos x) hasta la de mayor longitud (ondas de radio).

Todas las radiaciones electromagnéticas se transmiten a la velocidad de la luz -300 mil kilómetros por segundo- y en forma de ondas.

Onda corta significa alta frecuencia y mucha energía, onda larga es baja frecuencia y poca energía. La unidad usual para expresar la longitud de onda de la luz es el “Ansgtrom”. Los intervalos van desde los 8,000 amgstroms (rojo) hasta los 4,000 angstroms (violeta) donde la onda más corta es la de color violeta.

Ondas electromagnéticas

Viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio, la cantidad transportada depende de su frecuencia o longitud de onda, entre mayor es su frecuencia mayor es su energía.

Espectro visible

La luz puede usarse para diferentes : de comunicación, las ondas de luz pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas lo cual representa una ventaja pues con su alta frecuencia es capaz de llevar más información. Por otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre usando un haz visible de láser.

Espectro ultravioleta

El sol es una importante fuente emisora de rayos ultravioleta en esta frecuencia causan cáncer de piel en exposiciones prolongadas. Este tipo de onda se usa mucho en aplicaciones en el campo de la medicina.

Rayos X

Es una radiación electromagnética invisible capaz de atravesar cuerpos opacos. La longitud de onda está entre los 10 a 0.1 manómetros correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3000 Phz (de 50 a 5,000 veces la frecuencia de la luz visible).

Rayos Gamma

La radiación Gamma es producida generalmente por elementos radioactivos o procesos sub-atómicos como la aniquilicaiòn de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación se produce también en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar más profundamente en la materia que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía puede causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usadas para esterilizar equipos médicos y alimentos.

Glosario

Imán

Mineral constituido por una combinación de dos óxidos de hierro, de color negruzco muy pesado que tiene la propiedad de atraer el hierro, el acero y otros minerales.

Magnetismo

Fenómeno natural por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión en otros materiales. Fuerza de atracción de un imán.

Carga eléctrica

Propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiestan mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos.

Corriente eléctrica

Es el flujo de carga eléctrica que recorre un material. Se debe al movimiento de las cargas en el interior del mismo. Al caudal de corriente se le denomina intensidad de corriente eléctrica.

Dípolo

Es una antena empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el punto de vista teórico.

Monocromático

(Radiación) que está compuesta de vibraciones de la misma frecuencia. Así ocurre con las fotografías en blanco y negro, con la televisión en blanco y negro. En ese sentido un dibujo rojo pintado sobre una superficie amarilla es monocromática.

 

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