Teoría Electromagnética

Presentación del tema: "Teoría Electromagnética"— Transcripción de la presentación:

1 Teoría Electromagnética
Introducción José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

2 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
Introducción En la actualidad estamos tan acostumbrados a convivir con innumerables aparatos que basan su funcionamiento en propiedades eléctricas y magnéticas que tal vez no nos hallamos preguntado ¿cómo y cuándo surgieron? ¿quiénes y dónde los crearon? José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

3 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
Introducción De hecho, vivimos inmersos en campos electromagnéticos que los sistemas de comunicación actuales requieren para funcionar: Radio Televisión Telefonía fija y celular Internet José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

4 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
Introducción Los campos electromagnéticos que nos rodean también son producidos por los sistemas de potencia que alimentan nuestros electrodomésticos así como los equipos que mueven la industria actual, por ejemplo: Plantas generadoras Líneas de Transmisión Transformadores Motores eléctricos José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

5 Antecedentes históricos
Desde la antigüedad, el ser humano ha observado fenómenos de tipo eléctrico y magnético, algunos tan evidentes como las descargas atmosféricas (rayos) y las auroras boreales, hasta otros más sutiles como la influencia del campo magnético terrestre en la orientación de las brújulas. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

6 Antecedentes históricos
Sin embargo, el conocimiento actual sobre la electricidad ha requerido largos siglos de observaciones, experimentación y un arduo trabajo de grandes personajes que dedicaron gran parte de sus vidas a indagar las leyes que gobiernan los fenómenos eléctricos y magnéticos: William Gilbert Tales de Mileto Teofrasto Benjamin Franklin Charles Augustin de Coulomb Carl Friedrich Gauss Michael Faraday Alessandro Volta André-Marie Ampere Luigi Galvani James Clerck Maxwell Heinrich Rudolph Hertz entre muchos otros…. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

7 Antecedentes históricos
Tales de Mileto, 600 A.C. Observó que al frotar el ámbar con lana o piel, éste adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos e inclusive frotando mucho tiempo se podía causar la aparición de una chispa. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

8 Antecedentes históricos
Teofrasto, 300 A.C. En un tratado escrito reporta que otras sustancias además del ámbar también pueden adquirir propiedades semejantes, por ejemplo, observó que la turmalina (una piedra preciosa) atraía briznas de paja al calentarse José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

9 Antecedentes históricos
William Gilbert, 1600 D.C. Introduce el término electricidad (tomado del griego elektron=ámbar) en un estudio sobre los imanes usados para las brújulas esenciales para la navegación en esa época. Gilbert fue el primero en concluir que la tierra se comporta como un imán gigantesco José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

10 Antecedentes históricos
Otto Von Guericke, Construyó la primera máquina electrostática para producir cargas eléctricas. La máquina consistía en una bola de azufre (aislante) que hacía girar con una mano y frotaba con la otra. La esfera podía mantener una gran cantidad de carga y se la podía descargar acercándole el extremo de un conductor José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

11 Antecedentes históricos
Peter Van Musschenbroek, (Universidad de Leyden) construye el primer condensador eléctrico, que denomina Botella de Leyden y que permitía almacenar energía eléctrica. La "Botella de Leyden" evolucionó rápidamente a un recipiente de vidrio con delgadas láminas metálicas dentro y fuera de la botella. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

12 Antecedentes históricos
Benjamin Franklin, Propuso que la causa de los fenómenos eléctricos es la presencia de un “fluido eléctrico” (electricidad positiva), mientras que la ausencia del mismo puede considerarse electricidad negativa. Enunció también el principio de conservación de la electricidad: un objeto puede ganar electricidad positiva, en la misma cantidad en que otro gana electricidad negativa. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

13 Antecedentes históricos
Charles Augustin de Coulomb, Inventó un a balanza de torsión para medir con exactitud la fuerza entre dos cargas eléctricas. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

14 Antecedentes históricos
Con base en sus mediciones llegó a la “Ley de Coulomb” que se ha corroborado a lo largo de la historia sucesiva: proporcional a: la magnitud de cada una de las dos cargas eléctricas (q1 , q2) La magnitud de la Fuerza eléctrica (F ) es e inversamente proporcional a: el cuadrado de la distancia (r) que las separa José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

15 Antecedentes históricos
Alessandro Volta, Construye la primera batería eléctrica, capaz de generar mediante reacciones químicas un voltaje entre dos terminales metálicas, dando inicio a la electroquímica desarrollada posteriormente por Sir Humphry Davy. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

16 Antecedentes históricos
Hans Christian Oersted, Descubre una relación entre electricidad y magnetismo al observar que una aguja imantada colocada en dirección paralela a conductor, se desvía cuando se hace pasar una corriente eléctrica por el conductor. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

17 Antecedentes históricos
William Sturgeon, Construye el primer electroimán y más tarde, en 1832 construye el primer motor eléctrico práctico. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

18 Antecedentes históricos
Michael Faraday, Descubre la segunda relación entre la electricidad y el magnetismo: La inducción electromagnética: un campo magnético variable “induce” la aparición de corriente eléctrica en un conductor. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

19 Antecedentes históricos
Michael Faraday, en 1821 construyó el primer motor eléctrico primitivo. Este motor solo hacía girar un alambre sumergido en mercurio, alrededor de un imán permanente. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

20 Antecedentes históricos
Michael Faraday, El concepto de Faraday de líneas de fuerza saliendo de cuerpos cargados e imanes nos dió una forma de visualizar los campos eléctrico y magnético. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

21 Antecedentes históricos
Johan Carl Friedrich Gauss, en 1835 formuló la “Ley de Gauss”: El flujo (cantidad de líneas de fuerza) que entran menos las que salen de un volumen dado es proporcional a la carga encerrada por la superficie que delimita el volumen. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

22 Antecedentes históricos
James Clerk Maxwell, en 1865 publicó un conjunto e ecuaciones que unificaban los fenómenos electromagnéticos y predecían la existencia de ondas electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz, por lo tanto incluye la luz como una onda electromagnética, unificando la teoría electromagnética con la óptica. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

23 Antecedentes históricos
Heinrich Rudolph Hertz, en 1887 demostró la existencia de ondas electromagnéticas, para lo cual construyó un aparato para generarlas (emisor) y otro para detectarlas (receptor). Actualmente también se les llama ondas Hertzianas. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

24 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
La Carga Eléctrica En la actualidad se acepta que los fenómenos eléctricos se deben a una propiedad fundamental de la materia llamada carga eléctrica. Toda la materia está constituida por átomos con carga total neutra, pero que pueden ceder o ganar electrones y adquirir carga positiva o negativa para convertirse en iones: José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

25 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
La Carga Eléctrica Un cuerpo con carga positiva sería un cuerpo que ha cedido electrones (cuerpo con iones positivos) y viceversa un cuerpo con carga negativa habría ganado electrones (cuerpo con iones negativos). La carga eléctrica se simboliza por q y se mide en Coulombs. La carga mínima de un cuerpo es la carga de un protón, simbolizada por +e. (la carga de un electrón es -e) e = 1.602x10-19 Coulomb José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

26 ¿Como se carga eléctricamente un cuerpo?
La Carga Eléctrica ¿Como se carga eléctricamente un cuerpo? Por contacto (con un cuerpo cargado previamente) Por inducción (acercamiento con un cuerpo cargado). Por fricción (triboelectricidad) Por calentamiento (piroelectricidad y efecto termoiónico) Ejemplo: cuarzo, turmalina y válvulas de vacío Por deformación (piezoelectricidad) Ejemplo: cuarzo, turmalina, titanato de bario, sal de Rochelle Por electrólisis. (Aplicación de voltaje entre dos puntos de una solución líquida) Por incidencia de luz (efecto fotoeléctrico) José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

27 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
La Carga Eléctrica Tendencia a perder electrones ( + ) ( - ) Tendencia a ganar electrones El frotamiento (triboelectricidad) es la forma más sencilla de cargar un cuerpo. Los materiales se pueden clasificar dependiendo de su tendencia a ganar o perder electrones al frotarse en la siguiente secuencia triboeléctrica: José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

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La Ley de Coulomb Fuerza electrostática. Cuando dos cuerpos están cargados eléctricamente (suponiendo que estas cargas están estáticas) ejercen una fuerza entre sí cuya magnitud está dada por la Ley de Coulomb: Y cuya dirección cumple la Ley de las cargas: “cargas de signo contrario se atraen, cargas de igual signo se repelen” José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

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La Ley de Coulomb Al considerar la fuerza como un vector ( ), la Ley de Coulomb en forma vectorial se expresa como sigue Donde: es el vector fuerza sobre la carga q2 debido a la carga q1. es el vector desplazamiento que va de q1 a q2 r es la magnitud de y también se escribe como es el vector unitario en la dirección de q1 y q2 son los valores de carga eléctrica incluyendo su signo. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

30 José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH - 2016
La Ley de Coulomb El valor de la constante de proporcionalidad K de la Ley de Coulomb se ha determinado experimentalmente: Se acostumbra escribir K en términos de la constante , llamada permitividad eléctrica del medio: Si el medio circundante es el vacío: En general: , donde es la permitividad relativa del medio respecto al vacío. Es decir, si el medio es el vacío: José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

31 Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=JFv31DpjFIE
Experimentación Fuente: José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

32 Conductores y aislantes
Dependiendo de la mayor o menor facilidad para que los electrones se desplacen a través de ellos, los materiales se clasifican en: Conductores. Los electrones fluyen fácilmente de un átomo a otro y por lo tanto, no pueden sostener zonas con más carga que otras. (la carga se distribuye uniformemente en ellos) Ejemplos: todos los metales, el cuerpo humano, el agua con sales o ácidos (materiales húmedos). Aislantes o diélectricos. Los electrones prácticamente no fluyen, si se depositan en una zona ahí se quedan. Ejemplos: vidrio, plástico, hule, tela seca, papel seco, sal seca, madera seca, aire seco, agua químicamente pura. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

33 Conductores y aislantes
Cuando los átomos de un metal se agrupan para formar metal sólido, muchos electrones no quedan ligados a cada átomo, sino que pueden vagar libremente de un átomo a otro por todo el material. A estos electrones se les llama electrones de conducción. Por ejemplo, en el cobre que es un buen conductor, existen unos 1023 electrones por cm3. No es posible cargar por fricción una varilla de metal al grado de atraer pequeños objetos ¿porqué? José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

34 La carga eléctrica se conserva
Un cuerpo sin carga eléctrica es aquel que tiene tanta carga positiva (protones) como negativa (electrones). Cuando un cuerpo se carga positivamente se debe a que se le han retirado electrones, pero estos electrones no se destruyen, simplemente cambian de lugar. Por ejemplo, al frotar una regla de plástico con el pelo, el pelo se carga positivamente por que cede electrones a la regla, por lo tanto la regla se carga negativamente exactamente en la misma cantidad de Coulombs que el pelo. “En todo proceso de manipulación de cargas eléctricas en un sistema aislado, la carga total nunca cambia” José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

35 La carga eléctrica está cuantizada
Como la carga eléctrica se debe al exceso o carencia de electrones en comparación con el número total de protones, la carga mínima que puede tener un cuerpo es la carga del electrón (e). e = 1.602x10-19 Coulomb Por la misma razón, cualquier carga (q) que adquiera un cuerpo, deberá ser un múltiplo entero de e, es decir, q = N e Donde N es un número entero, es decir, En otras palabras, la carga eléctrica está cuantizada y el “cuanto” de carga es e. José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH

36 Problemas de cálculo de fuerza electrostática
La ley de Coulomb nos permite calcular la fuerza entre cuerpos cargados eléctricamente en diversas situaciones de cargas estáticas: Cargas puntuales: Se supone que la carga está concentrada en un solo punto Cargas distribuídas: Se supone que la carga se distribuye en una región continua: Uniformemente y no uniformemente En una línea En una superficie En un volumen José Juan Rincón Pasaye. FIE-UMSNH