martes, 11 de junio de 2013

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia


I  Descubrimiento de la inducción electromagnética: los  experimentos de Faraday y Oersted.


I  El descubrimiento.

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida.
La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).
El descubrimiento de Oersted según el cual las cargas eléctricas en movimiento interaccionan con los imanes y el descubrimiento posterior de que los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre corrientes eléctricas, no solo mostraba la reacción entre dos fenómenos físicos hasta entonces independientes, sino también porque podría ser un camino para producir corrientes eléctricas de un modo mas barato que con la pila de voltaje. Faraday fue el que obtuvo primeros resultados positivos en la producción de corrientes eléctricas mediante campos magnéticos.
El descubrimiento, debido a Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las llamó corrientes inducidas.Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.
Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.
La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre de electromagnetismo. Pero, además, se han desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico. El transformador que se emplea para conectar una calculadora a la red, la dinamo de una bicicleta o el alternador de una gran central hidroeléctrica son sólo algunos ejemplos que muestran la deuda que la sociedad actual tiene contraída con ese modesto encuadernador convertido, más tarde, en físico experimental que fue Michael Faraday.




II Los experimentos.

Oersted.



En 1820 Hans Oersted movió una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica y notó que la aguja se movía hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Esto fue el nacimiento del electromagnetismo.







Michael Faraday.


Si Oersted había demostrado que la corriente eléctrica era capaz de originar acciones magnéticas, ¿es posible que ocurra el efecto contrario?

Faraday empezó a investigar acerca de esto hasta que descubrió que el magnetismo puede originar en un conductor corrientes eléctricas. Como resultado de este descubrimiento, los hombres no dependerían de las pequeñas corrientes eléctricas que efectúa la acción química en las pilas o baterías. Gracias a esto se basan los generadores eléctricos.

En 1831, Michael Faraday descubrió las corrientes inducidas al realizar un experimento con una bobina y un imán.





Supongan que tienen un alambre enrollado en forma de bobina con gran número de vueltas, y sus extremos se encuentran conectados a un galvarómetro, este instrumento nos dará indicios de corriente. Ahora, al acercar el imán a la bobina, aquí ocurrirá un fenómeno, el galvarómetro indicará el paso de una corriente, ocurriría lo mismo si el imán permanece fijo y se mueve la bobina, pero al permanecer quieto el imán y la bobina, no pasará nada, y el galvarómetro volverá a cero. Basta con mover el imán o la bobina para que haya corriente. El sentido de la corriente está en si se aleja o acerca el imán.




La corriente inducida tendrá más intensidad ya sea si se acerca rápidamente la bobina o el imán. El hecho de que se haya producido una corriente en el circuito formado por la bobina, señala la inducción de una fuerza electromotriz en el circuito al variar el flujo magnético debido al movimiento del imán.
Pero esto no es todo,  si movemos el imán hacía la derecha, la aguja del galvanómetro se desvía hacía un lado, y si movemos el imán a la izquierda, la aguja se desvía en dirección contraria. Esto mantuvo a Faraday asombrado, y se dice que durante siete años, este físico estuvo muy obsesionado por el problema, el cual lo hacía llevar un imán y una bobina en el bolsillo.





II El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo.



I  El electroimán.



Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.
En 1819, el físico danés Hans Christian Orsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una brújula. Basado en sus observaciones, el físico Estadounidense Joseph Henry inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llamasolenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita, aunque también se utiliza el llamado acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas de campo se define como «polo norte».
Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo variable. Estas corrientes son llamadascorrientes de Foucault y en general son indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia de si mismo.


Dispositivos que usan electroimanes.

Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflección de haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es usado más a menudo debido a su relativo bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.

II El electromagnetismo.

El electromagnetismo como rama de la física.

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctricapolarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

                       El electromagnetismo como fuerza.
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 actualmente conocido.

Desarrollo histórico de la teoría electromagnética.

Históricamente, el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. 
Sin embargo, los descubrimientos de Oersted y luego de Ampère , al observar que la aguja de una brújula tomaba una posición perpendicular al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Así mismo los estudios de Faraday en el mismo campo, sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno.
La idea anterior fue propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell 1831 1879 ), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850 , las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:
•  Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
•  No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
•  Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.
•  Cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.


Aplicaciones del Electromagnetismo.

motores eléctricos: hay muchos tipos de motores, cada uno es una aplicación distinta.... te doy unos ejemplos:
-motor de corriente alterna con jaula de ardilla (el de la bomba del agua)
-motor de corriente directa (motores usados en montacargas electricos)
-motor de corriente directa con imanes permanentes (motores de juegos)
-motores a pasos (el motor del drive de 3 1/2 es de ese tipo, ademas de que es plano)
-magnetrón (una variedad "estática" y es la que usa el horno de microondas)
Otras aplicaciones son las ondas hertzianas, para el radio, la televisión, los celulares, etc.
Otras aplicaciones son los electroimanes: el timbre de la casa (los viejitos), los relevadores que te sirven para tableros de control, o los solenoides que te sirven para actuar valvulas con una señal de control. Las bocinas de tu equipo de sonido tienen un electroimán.
Las aplicaciones que aprovechan la resistencia: los focos, los calentadores de casa, los calentadores de agua.
En la fundición de acero.
Sensores, por ejemplo, alguno que utilice el cambio de capacitancia para "sensar" un nivel de un liquido.
Etc...







III   La descomposición de la luz blanca.







I  Que es?  

La luz blanca o visible puede descomponerse en luces monocromáticas,siempre que atraviese algún obstáculo que obligue a las diferentes ondas que constituyen la luz blanca a viajar a velocidades diferentes, por ejemplo un prisma transparente o una red de difracción.Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen el haz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan de manera diferente al entrar y al salir (doble refracción al cambiar de medio) dando como resultado un haz desviado de la dirección inicial y con sus componentes separados. Así surge el espectro solar.


II  Descubrimiento.

La descomposición de la luz blanca en los diferentes colores que la componen, data del siglo XVIII, debido al físico, astrónomo y matemático Isaac Newton.
La naturaleza de la luz ha fascinado siempre a los científicos. Newton, el científico más creativo y completo que ha dado la Historia, no escapó a esa fascinación. En 1667 presentó ante la Royal Societ y su experimento sobre la descomposición de la luz solar.
En aquella época dominaba la idea de Descartes de que la luz estaba compuesta por pequeños corpúsculos. Los colores eran la mezcla de luz y oscuridad, en distintas proporciones. Antes que Newton, Descartes ya intentó descomponer la luz, pero sólo logró obtener los colores rojo y azul.

Newton empleó un par de prismas de vidrio que, por entonces, eran populares como juguetes infantiles. Así que fue un experimento muy barato. Preparó una estancia en total oscuridad. Sólo a través de un agujero en la ventana entraba un rayo de luz solar. Colocó el prisma delante del rayo de luz, de modo que lo atravesara y reflejara la luz en la pared opuesta, a 7 metros de distancia. En la pared aparecían los colores del arco iris de forma alargada, uno sobre otro.

Cabían dos posibilidades. O bien el prisma daba color a la luz, o la luz era la mezcla de todos los colores y el prisma se limitaba a descomponerla. Para comprobarlo, utilizó el segundo prisma. Tras la luz descompuesta en colores colocó otra pantalla con un agujero, a unos 3 metros. Por este agujero fue haciendo pasar los colores de uno en uno. De modo que, detrás de la pantalla, sólo podía verse el color elegido. Por ejemplo, el rojo. Una vez aislado un color, lo hacía pasar a través del segundo prisma y lo reflejaba en otra pared.

Comprobó que ahora sólo cambiaba el ángulo, pero no el color. Es decir, si habíamos aislado el rojo, al atravesar el segundo prisma seguía saliendo rojo. Y así con todos los colores. Dedujo que los colores del arco iris eran colores puros, mientras que la luz blanca era la mezcla de todos ellos. El prisma no añadía ninguna cualidad a la luz, sino que la descomponía. Al proyectar los colores y juntarlos de nuevo, la luz volvía a ser blanca.

La luz blanca se descompone en estos colores principales:
·         Rojo (el color que sufre la menor desviación)
·         Anaranjado.
·         Amarillo.
·         Verde.
·         Azul.
·         Añil.
·         Violeta (el color que sufre la mayor desviación)




Esto demuestra que la luz blanca está constituida por la superposición de todos estos colores. Cada uno de los cuales sufre una desviación distinta ya que el índice de refracción de, por ejemplo, el vidrio es diferente para cada uno de los colores.
Si la luz de un color específico, proveniente del espectro de la luz blanca, atravesara un prisma, esta no se descompondría en otros colores ya que cada color que compone el espectro es un color puro o monocromático.



 IV  Características del espectro electromagnético y espectro visible:
Velocidad, frecuencia y su relación con la energía.


 I Espectro visible.

Isaac Newton, en el siglo XVIII, descubrió que al atravesar un haz de luz blanca por un prisma óptico se divide en una banda luminosa multicolor (que va del rojo al violeta) denominada espectro visible. Un fenómeno parecido se produce cuando observamos el arco iris.
Es decir, la luz visible está formada por ondas electromagnéticas, de diferente longitud de onda y frecuencia, que son percibidas por la vista. La luz roja tiene una longitud de onda aproximada de 800 nm (800 · 10-9 = 8 · 10-7 m), y la luz violeta, de unos 400 nm (400 · 10-9 = 4 · 10-7 m). (Un nanómetro, 1 nm, equivale a 10-9 m.)






II  Espectro electromagnético.


Espectro electromagnético: rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles, desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna hasta los rayos gamma.


Velocidad las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío con una velocidad 

Frecuencia: las ondas electromagnéticas tienen una gran rango de frecuencia que van de 
Región del espectro
Intervalo de frecuencias (Hz)
Radio-microondas
0-3.0·1012
Infrarrojo
3.0·1012-4.6·1014
Luz visible
4.6·1014-7.5·1014
Ultravioleta
7.5·1014-6.0·1016
Rayos X
6.0·1016-1.0·1020
Radiación gamma
1.0·1020-….

Longitud de onda: las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y energía alta, las frecuencias inferiores tienen ondas más largas. Hay longitudes de onda que van desde 2nm a 2500 nm.





III  Su relación con la energía.


El espectro electromagnético y el espectro visible son dos formas diferentes de descomposición de la luz, y como la luz es un tipo de energía  estos, son un derivado de la energía y por eso se dice que tienen una relación con la energía.
















V  La luz como onda y partícula.


La luz puede considerarse formada por partículas (los fotones) o por ondas (el campo electromagnético). Ahora, por primera vez, unos investigadores han hecho un experimento que relaciona el aspecto partícula de la luz con el aspecto onda.

Cuando se intenta medir el campo electromagnético (el aspecto de onda de la luz) de un fotón, que es la partícula de la luz, se plantea una gran dificultad, puesto que el fotón es un cuanto (un paquete) de energía electromagnética, explican los investigadores de la Universidad de Nueva York en Stony Brook y de la Universidad de Oregón. Además, ¿cómo saber cuándo va a aparecer un fotón para poder medirlo? El problema no era sencillo de resolver, pero los investigadores lo han logrado con un nuevo aparato, que han denominado correlacionador onda-partícula.

Aunque la discusión sobre la naturaleza de la luz en la época moderna data de los tiempos de Newton, fue hace 100 años, con el nacimiento de la mecánica cuántica, cuando la dualidad partícula-onda de la luz surgió con toda su fuerza. A lo largo de este tiempo se han ido conociendo los aspectos de partícula y de onda de la luz. Ambos están presentes en la descripción de la realidad que hace la física moderna, con sus fluctuaciones e incertidumbres inherentes.

El método utilizado por los investigadores es complicado, y también es complicado de explicar. Se trata de una fuente de luz muy débil; en este caso, un rayo de átomos de rubidio que pasan entre dos espejos altamente reflectantes (una cavidad QED). Un láser se apunta a uno de los espejos. La cavidad así excitada absorbe la luz y la reemite. Un fotón se escapa ocasionalmente de la cavidad hacia un espejo y se detecta como partícula en un fotodiodo. Le suele seguir un segundo fotón, y la detección del primero dispara la medida de las propiedades de onda del segundo. En realidad, se miden interferencias, cuyo patrón sólo aparece después de muchas de estas medidas, condicionadas por la detección de cada fotón. Cualquier interferencia indica características de los campos electromagnéticos que las producen, y es así como se llega a medir el campo electromagnético de los fotones de esta fuente de luz, aprovechando el estado cuántico inducido en la fuente por la detección de cada fotón que se escapa. 

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