Tema 2 : Los Fenómenos Electromagnéticos Y su Importancia

El electromagnetismo es la fuerza que causa la interacción entre las partículas cargadas eléctricamente, las áreas en las que esto ocurre se llaman los campos electromagnéticos.

El electromagnetismo es responsable de prácticamente todos los fenómenos relacionados con la vida diaria, con la excepción de la gravedad. La materia ordinaria toma su forma como resultado de las fuerzas intermoleculares entre las distintas moléculas en la materia. El electromagnetismo es también la fuerza que tiene electrones y protones juntos dentro de átomos, Que son los componentes básicos de moléculas. El electromagnetismo se manifiesta como dos, los campos eléctricos y los campos magnéticos. Ambos campos son simplemente diferentes aspectos del electromagnetismo, y por lo tanto están relacionados propiamente. Campo eléctrico son la causa de varios fenómenos comunes, como potencial eléctrico (Por ejemplo, el voltaje de una batería) y corriente eléctrica (Por ejemplo, el flujo de electricidad a través de una linterna). Los campos magnéticos son la causa de la fuerza asociada con imanes.

Las implicaciones teóricas del electromagnetismo llevaron al desarrollo de la relatividad especial por Albert Einstein en el año 1905.

Originalmente, la electricidad y el magnetismo eran considerados como dos fuerzas separadas. Este punto de vista ha cambiado, sin embargo, con la publicación de James Clerk Maxwell 1873 Tratado sobre Electricidad y Magnetismo en el que las interacciones de cargas positivas y negativas, se mostró a ser regulada por una sola fuerza. Hay cuatro principales efectos derivados de estas interacciones, todos los cuales han sido claramente demostrados por los experimentos:

1. Las cargas eléctricas atraen o se repelen entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos: cargas diferentes se atraen, al igual que los 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 ella, la dirección de la corriente en función de la del movimiento.

Experimento de Christian Oersted:

    Un conductor, por el que se hace circular la corriente y bajo el cual se sitúa una brújula, tal y como muestra la figura.

 Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad.

Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover 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. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.

En términos generales, todas las fuerzas implicadas en las interacciones entre átomos se pueden remontar a la fuerza electromagnética que actúa sobre la carga eléctrica protones y electrones dentro de los átomos. Esto incluye a las fuerzas que experimentamos en “empujar” o “tirar” los objetos materiales, que provienen de las fuerzas intermoleculares entre el individuo, moléculas en nuestros cuerpos y los de los objetos.

Experimento de Faraday:

Michael Faraday  se empezó a interesar en los fenómenos eléctricos y repitió en su laboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Ampere. Una vez que entendió cabalmente el fondo físico de estos fenómenos, se planteó la siguiente cuestión: de acuerdo con los descubrimientos de Oersted y Ampere se puede obtener magnetismo de la electricidad, ¿será posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inició una serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta. Después de muchos intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, Faraday obtuvo un indicio en el otoño de 1831. El experimento fue el siguiente. Enrolló un alambre conductor alrededor de un núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro G; ésta es la bobina A de la figura 5. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de la bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina, B en la figura, los conectó a una batería. La argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batería empieza a circular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina B. De los resultados de Oersted y Ampere, se sabe que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor. Este efecto magnético cruza la bobina A, y si el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina A debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería poder detectarse por medio del galvanómetro. Sus experimentos demostraron que la aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por la bobina A no pasaba ninguna corriente eléctrica.

Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería ocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de que en el momento en que desconectaba la batería la aguja del galvanómetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si hay corriente en la bobina B. Siguiendo esta idea Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ninguna producción de electricidad por magnetismo. Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina B de la figura 5 el valor de la corriente eléctrica que circula por él cambia de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magnético que produce esta corriente a su alrededor también cambia de cero a un valor distinto de cero. De la misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético.

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.

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 Faraday.

En poco tiempo, Faraday descubre la inducción de corrientes entre bobinas sin núcleo y la inducción de corrientes por un imán en las bobinas (las bobinas utilizadas eran de hilo de cobre forrado de seda).

    

     Se comprobó a partir de estos experimentos, que para inducir corrientes de electricidad dinámica en un circuito, es imprescindible que el circuito que ha de ser inducido corte las líneas de fuerza del campo magnético inductor.  Esta interacción en las líneas de fuerza se consigue de varias maneras, por movimiento del inductor o del inducido y también por variaciones, del flujo de corriente que sustenta el campo magnético. Aquí vemos un sencillo aparato que nos demuestra la inducción por el movimiento de un imán en el interior de una bobina.

El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo.

Se le llama electromagnetismo al campo magnético que se genera eléctricamente. El Electromagnetismo, es la parte de la Física que estudia los campos electromagnéticos y los campos eléctricos, sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo y las partículas subatómicas que generan flujo de carga eléctrica. El electromagnetismo, por ende se comprende que estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias sólidas, líquidas y gaseosas En la vida diaria, el electromagnetismo tiene las siguientes aplicaciones:

·         Electroimán: se utiliza en los timbres, para separar latas y clavos en vertederos y en manipulación de planchas metálicas.

·         Relé: se utiliza en interruptores y conmutadores.

·         Alternador: máquina que sirve para generar corriente

·         Dínamo: se utilizan para obtener corriente continua en los carros.

·         Transformador: sirve para transportar la energía

La naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad que tiene el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. La cantidad de energía transportada por una onda electromagnética depende de su frecuencia (o longitud de onda) entre mayor su frecuencia mayor es la energía.

Ejemplos de ondas electromagnéticas son:

·         Las señales de radio y televisión

·         Ondas de radio provenientes de la Galaxia

·         Microondas generadas en los hornos microondas

·         Radiación Infrarroja proveniente de cuerpos a temperatura ambiente.

·         La luz

·         La radiación Ultravioleta proveniente del Sol , de la cual la crema anti solar nos protege la piel

·         Los Rayos X usados para tomar radiografías del cuerpo humano

·         La radiación Gama producida por núcleos radioactivos

Electroimán

Un electroimán es un imán cuyo campo magnético se produce mediante el paso de una corriente eléctrica. Esto es, un imán accionado por electricidad, al pasar la corriente eléctrica por un cable se crea un campo magnético. Si ahora el hilo por el que pasa la corriente se enrolla en forma de hélice (cada una de las vueltas de alambre se denomina espira) se forma un solenoide.

Al pasar la corriente, el campo producido por las distintas espiras se sumará para crear un campo siguiendo el eje del solenoide, o sea, de las espirales de cable, dando como resultado una fuerza paralela al eje. Si introducimos un núcleo de hierro dentro del solenoide, la fuerza magnética del solenoide se transmitirá a través de él, transformándolo en un imán mientras esté pasando la corriente eléctrica. Cuando se interrumpe la corriente, 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 el número de espiras de la bobina. Además cuando se desconecta la batería y con ello se corta la corriente, desaparece el magnetismo.

                      http://www.youtube.com/watch?v=U_QLKyvlkTs

                                                 

COMPOSICION Y DESCOMPOSICION 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 los orbitales de los átomos. La luz es partícula y onda, 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 óptica estudia el comportamiento de la luz. La luz viaja en línea recta por eso nuestros ojos perciben las imágenes de forma invertida. En el arcoíris se descompone la luz blanca en sus distintos colores. La luz se refleja y por eso podemos ver incluso a los objetos que no emiten luz propia. Observa los siguientes vídeos sobre descomposición de la luz.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=jj8wWfbQIMo

                            http://www.youtube.com/watch?v=02W6SGeM5oU

      

 Si hacemos pasar un rayo de sol (luz blanca) a través de un prisma, podremos observar que se descompone en los mismos colores que integran un arco iris.

En esta experiencia práctica, el rayo de luz blanca del Sol al atravesar el prisma, se descompone en seis colores, que van del rojo al violeta. Como se puede apreciar en la tabla siguiente, cada uno de esos colores cuenta con su correspondiente longitud de onda fija y, por tanto, con diferentes frecuencias de ondas.

Colores de la Luz Blanca	Longitud de onda () en nm
Rojo	627 – 770 (ondas de menor energía)
Naranja	589 – 627
Amarillo	566-589
Verde	495-566
Azul	439-495
Violeta	380-436 (ondas de mayor energía)

Cualquier onda electromagnética posee una determinada cantidad de energía que es inversamente proporcional a la longitud de la onda, es decir, a menor longitud de onda de luz visible, mayor será la propagación de energía. Dada esa propiedad, un rayo láser puede generar energía suficiente para a cortar metales, láminas de plástico 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 por ondas magnéticas de frecuencias y longitudes de onda diferentes, la luz que proporciona un dispositivo láser se considera "coherente", porque está compuesta 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, siendo la roja la más común y conocida, aunque existen láseres de otros colores. En la tabla que se expone más arriba se puede apreciar que dentro del espectro de luz visible el color violeta posee más energía que el rojo, porque tiene una longitud de onda más corta.

La propagación de las ondas de luz constituye el fenómeno físico más rápido del universo, pues sus rayos se desplazan por el espacio, e incluso por el vacío, a una velocidad aproximada a los 300 mil kilómetros por segundo. Esa 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.

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.

Referido a un objeto, el espectro electromagnético o simplemente espectro es la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia cualquiera, 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. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios, con los cuales, además, se pueden 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 las de mayor longitud de onda (ondas de radio). Todas las radiaciones electromagnéticas se transmiten a la velocidad de la luz (300.000 km/segundo) y en forma de ondas. Por lo cual, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta es la frecuencia de la misma. Onda corta, significa alta frecuencia. Onda larga, baja frecuencia. Desde un punto de vista teórico, el espectro electromagnético es infinito y continuo. La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos. Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

Como se ve, el espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Aunque no están incluidas en el cuadro anterior, existen ondas que tienen frecuencias muy bajas: de 30 Hz y menores. Estas ondas tienen longitudes de onda superior a los 10 km y son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas. Por otro

Lado se conocen frecuencias altísimas, cercanas a 2,9×1027 Hz, mucho mayores que las de rayos gamma, que han sido detectadas provenientes del espacio exterior a la Vía Láctea.

El espectro electromagnético de la luz visible, cubre el rango de 380 nanómetros a 780 nanómetros (3.800 a 7.800 Angströms) Mientras más corta es la longitud de onda de luz visible, el color está más cerca del ultravioleta. A mayor longitud de onda, es decir menor frecuencia, el color se acerca al infrarrojo.

Las ondas de radiofrecuencia, producidas por las emisoras de radio son de mayor longitud que las ondas de luz. Los rayos X, los rayos gamma y los rayos cósmicos tienen longitud de onda súper corta, es decir altísima frecuencia. La unidad usual para expresar las longitudes de onda de luz es el Ångström. Los intervalos van desde los 8.000 Ångströms (rojo) hasta los 4.000 Ångströms (violeta), donde la onda más corta es la del color violeta.

Las ondas infrarrojas están entre el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se asocia generalmente con el calor. Estas son producidas por cuerpos que generen calor, aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres.

Las señales infrarrojas son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como en astronomía para detectar estrellas y otros cuerpos y para guías en armas, en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los controles remotos de los televisores, en los que un trasmisor de estas ondas envía una señal codificada al receptor de infrarrojos del televisor. En últimas fechas se ha estado implementando conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos.

Espectro visible

La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. 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.

Ultravioleta

La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nanómetros. El Sol es una importante fuente emisora de rayos en esta frecuencia, los cuales causan cáncer de piel en exposiciones prolongadas. Este tipo de onda se usa en aplicaciones del campo de la medicina.

Rayos X

La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).

Rayos gamma

La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación 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 pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

La Luz Como onda y Partícula

En el siglo XVII los físicos entre ellos Isaac Newton  pensaban que la luz era una partícula, mientras que otros como Christian Huygens opinaban que se trataba de una onda. A mediados del siglo XIX James Maxwell había formuladoras ecuaciones matemáticas que describían la Electricidad y el Magnetismo ya parecía la luz como una

Onda electromagnética

(Primera imagen)

. Un ejemplo muy conocido del comportamiento ondulatorio de la luz blanca es el arco iris. En 1900 Max Planck demostró que la luz consistía en paquetes de energía a los cuales llamó “Cuantos” y en 1905Albert 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, cuando ingresamos de compras a un centro comercial. A ambos científicos se les confirió sendos premios Nobel por dichos trabajos.

(Ultima imagen)

Por lo expuesto podemos darnos cuenta que la luz presenta una naturaleza dual, sin embargo en un experimento dado solamente presenta una de estas facetas y no ambas, es como cuando se arroja una moneda al aire, es cara o sello pero no ambas a la vez. Todos hemos aprendido que la materia está compuesta por protones de carga positiva, electrones con carga negativa y los neutrones de carga neutra y además está la luz. La visión clásica del átomo es familiar para todos, es la de un sistema solar en miniatura con los electrones girando alrededor del núcleo y  se muestra en la figura adjunta.

Louis de Broglie en 1925 propuso y formuló matemáticamente que

No solo la luz tiene comportamiento dual, sino que también lo  tienen todas las partículas subatómicas algo que era revolucionario para esa época, siendo en este momento que nació la Mecánica Cuántica, por este motivo se le confirió posteriormente el Premio Nobel.

(Segunda imagen)

El mundo tal como era concebido cambió de repente, pues era muy difícil imaginarse cómo por ejemplo los electrones podían comportarse como ondas y también como partículas, sin embargo los experimentos así lo mostraban de modo irrefutable. Al igual como en el caso de la luz, esta naturaleza dual nunca se presenta en forma simultánea en el mismo experimento. En la figura adjunta podemos ver como atraviesan una rendija, tanto una partícula como una onda

Fuentes Bibliograficas:

http://genesis.uag.mx/edmedia/material/fisicaII/electromagnetismo.cfm

http://www.ojocientifico.com/3634/que-es-un-electroiman

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_7.htm

http://www.estudiaraprender.com/2012/03/composicion-y-descomposicion-de-la-luz.html

http://astrojem.com/teorias/espectroelectromagnetico.html