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.
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.
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)
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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)
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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:
