Magnetismo

El magnetismo representa un tópico de suma importancia en el estudio de la electricidad. Ambos fenómenos no pueden separarse ya que siempre que aparece una corriente eléctrica, existe magnetismo debido a que las cargas en movimiento, es decir, la corriente eléctrica, se comportan como imanes produciendo campos magnéticos.

Cuando se habla de magnetismo, inevitablemente se tiene que mencionar a los imanes, los cuales son aquellos materiales que generan un campo magnético cuyo comportamiento pone de manifiesto que en ellos existe un par de zonas extremas o polos, donde la acción magnética es más intensa; estos polos magnéticos no son iguales. A estos polos se les denomina polo norte y polo sur.

Los imanes se comportan como las cargas eléctricas en el sentido de que sus polos se atraen o repelen, es decir, los polos del mismo tipo se repelen y los polos de distinto tipo se atraen. Esta característica pone de manifiesto la similitud existente entre el magnetismo y la corriente eléctrica.

Otra característica de los imanes, consiste en la posibilidad de aislar sus polos magnéticos; es decir, si se corta un imán recto en dos mitades, tendrías dos imanes con sus respectivos polos norte y sur. Lo mismo sucederá si repites el procedimiento con cada uno de ellos. Por lo tanto, podemos concluir que no es posible obtener un imán con un solo polo magnético, al igual que no se puede tener un cuerpo cargado con electricidad de un solo signo.

Un imán sólo ejerce fuerzas magnéticas sobre un cierto tipo de materiales, en particular sobre hierro. Dichas fuerzas son de acción a distancia, es decir, se producen sin que exista contacto físico entre dos cuerpos, por lo tanto, la intensidad de la fuerza magnética de interacción entre imanes disminuye con la distancia.

Tipos de imán

• Por su naturaleza.-
  existen dos tipos de imán: naturales y artificiales. Los primeros son aquellos materiales que poseen fuerzas magnéticas al ser extraídas de la tierra, como la magnetita. Los segundos son materiales que han sido imantados (magnetizados) de manera simulada, ya sea por frotación o inducción magnética, colocándolos dentro de una bobina por la cual pasa corriente eléctrica.
  
• Por su duración.-
  convirtiéndolos en permanentes o temporales. Los permanentes son imanes artificiales que han sido sometidos a algún tipo de tratamiento térmico y magnetizados por medio de corriente eléctrica. Los temporales son aquellos que, a pesar de ser magnetizados artificialmente, pierden su magnetismo casi inmediatamente después de ser retirados de la fuerza que los magnetiza.
  
• Por su forma.-
  Pueden ser de barra o de herradura y se hallan con mucha frecuencia en los laboratorios escolares. También existen imanes en forma de lámina, empleados para que ciertos objetos se adhieran a superficies metálicas.

INTRODUCCIÓN- PARTE 2

Y siguiendo con el blog, a partir de ahora se expondrán los temas referentes al magnetismo y se vincula con la electricidad. Se muestran las características de los imanes, sus diferentes tipos y la importancia que tiene la compresión de la fuerza magnética.

A partir del concepto de carga eléctrica, se aborda la definición de capo magnético y cómo calcular su intensidad, a partir de la fuerza magnética y la velocidad y ubicación de una carga. Posteriormente se define algunos tipos de campo magnético, aquellos que son producidos en un conductor recto, en una espiral y en el solenoide.

En el apartado de electromagnetismo, se evidencia la importancia que tiene la inducción electromagnética, ya que es la base para la producción de energía eléctrica a gran escala; para comprenderla mejor, se explica la Leyes de Faraday y Lenz, así como los fenómenos de inducción mutua y autoinducción, mismo que son el fundamento de los motores, generadores y transformadores eléctricos.

Instrumentos eléctricos de medición

Amperímetro

El voltaje y la corriente eléctrica pueden ser medidos con instrumentos denominados voltímetros y amperímetros, respectivamente. Se pueden encontrar tanto como digitales como análogos, en los cuales el dispositivo principal de su funcionamiento es el galvanómetro.

El amperímetro es un dispositivo para medir la corriente eléctrica y debe conectarse en el circuito de manera tal que la corriente pase directamente a través de él, es decir, en serie. Por su parte, el voltímetro es un instrumento que mide el voltaje entre dos puntos A y B, en un circuito, y debe conectarse entre estos puntos, es decir, en paralelo, y no debe insertarse como un amperímetro.

Voltímetro analógico

Un amperímetro ideal debe tener una resistencia muy pequeña, debido a que se conecta en serie con el circuito y es necesario que no afecte el valor de la medición. De la misma manera, un voltímetro debe tener una resistencia muy alta para que no se produzca un aumento de corriente y modifique el valor del voltaje. Por ello, la importancia de no conectar el voltímetro como un amperímetro, ya que su alta resistencia ocasionaría que la resistencia del circuito aumentara de manera significativa, provocando que la corriente disminuya en la misma proporción, como lo demuestra la ley de Ohm.

Potencia eléctrica y el efecto Joule

Como ya se mencionó, la diferencia de potencial entre dos puntos es igual a

ΔV= WAB / q0

Recordemos que está establecido que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado por unidad de tiempo, es decir,

P = W / t

Debido a que la corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de tiempo (I= q / t), podemos expresar que la potencia eléctrica en relación a la diferencia de potencial y la corriente, por lo tanto:

P = VI         Ecuación 12

Ahora, al aplicar la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:

P = I^2R = V^2 / R          Ecuación 13

Al igual que la potencia mecánica, la potencia eléctrica se mide en Watts. Considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el tiempo, Comisión Federal de Electricidad (CFE) calcula el costo de esa energía a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en kilowatt-horas (kWh), el cual equivale a 3.6x10^6 J de energía.

Al pasar un coulomb de corriente a través de un conductor, éste consume una energía igual a la diferencia de potencial aplicada. Parte de la energía que se genera se convierte en calor. El calor que se genera en un conductor en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de corriente que circula sobre éste; a dicho resultado se le denomina efecto Joule, el cual puede ser explicado a partir del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un aumento de la temperatura y, por consiguiente, a la generación de calor. Por lo tanto, es una consecuencia energética de la Ley de Ohm. 

Circuitos eléctricos resistivos en serie, paralelo y mixto

Los circuitos eléctricos son representaciones gráficas de elementos conectados entre sí para formar una trayectoria, por la cual circula una corriente eléctrica, en la que la fuente de energía y el dispositivo consumidor de energía están conectados por medio de cables conductores, a través de los cuales circula la carga. La representación gráfica de las resistencias representadas en los circuitos será:

Circuito en serie

La corriente eléctrica en un circuito eléctrico en serie de la misma en todos sus elementos. Por otra parte, el voltaje total del circuito, es decir, el que proporciona la fuente de poder, será igual a la sumatoria de todos los voltajes individuales de los elementos que componen el circuito, De manera similar, la resistencia equivalente en un circuito eléctrico en serie es la sumatoria de los valores de cada una de las resistencias que lo integran.

Corriente Total (IT): Ientrada = Isalida
Voltaje Total (VT): Es el voltaje de la fuente (Vf)

Vf = Vr1 + Vr2

Vf = (ITR1)(ITR2)

Resistencia equivalente (Req): Req= R1+R2

Circuito en paralelo

El voltaje en un circuito eléctrico es paralelo es el mismo en todos sus elementos. Por otra parte, la corriente eléctrica total del circuito será igual a la sumatoria de todas las corrientes individuales de los elementos que lo componen. La resistencia equivalente es igual al inverso de la suma algebraica de los inversos de las resistencias que lo integran, y su valor siempre será menor que cualquiera de las resistencias existentes en el circuito.

Voltaje Total (VT): Es el voltaje de la fuente (Vf)

Corriente Total: (IT)

IT = I1+I2

IT = (Vf / R1)+(Vf / R2)

Resistencia Equivalente (Req):

1 / Req = (1 / R1)+(1 / R2)   --->   Req = 1 / (1 / R1)+(1 / R2)

Cuando únicamente existen dos resistencias, se puede emplear la siguiente fórmula para calcular la resistencia equivalente:

Req = (R1)(R2) / R1+R2          Ecuación 11

Circuito mixto

La intensidad total de la corriente en un circuito mixto depende de la resistencia total ofrecida por el circuito cuando se le conecta a una fuente de voltaje.

Vídeo tutorial, explicando más detalladamente cómo funcionan los circuitos y cómo realizar las operaciones anteriores, les sugiero que usen audífonos o le suban el volumen.

Corriente eléctrica

Sabemos que todo campo eléctrico ejerce una fuerza sobre los electrones libres de un conductor, provocando que éstos se muevan. A este flujo de la carga eléctrica se le denomina corriente eléctrica, y se define como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo:

I= q/t          Ecuación 8

En el sistema internacional, la corriente eléctrica se mide en Coulomb/segundo, unidad que se denomina Ampere (A). Podemos agregar que cuando la corriente eléctrica pasa a través del conductor se producen algunos efectos, tales como: la temperatura del conductor aumenta y se genera un campo magnético alrededor de él.

A manera de facilitar su comprensión, podemos decir que la corriente eléctrica se comporta como un fluido, en el sentido de que, si consideramos el conductor una tubería, la corriente que fluirá a través de ésta, sería agua, además de que la intensidad de corriente en cualquier parte de un conductor es la misma.

Resistencia eléctrica y Ley de Ohm

Recordemos que la corriente eléctrica no fluye de la misma manera a través de todos los materiales, algunos de ellos ofrecen cierta resistencia. La resistencia de un material depende de su resistividad, su longitud y su área de sección transversal:

R= p(L/A)          Ecuación 9

Georg Simón Ohm

Así, la resistividad es una propiedad de los materiales, la cual determina la facilidad que representan para permitir el flujo de la corriente eléctrica. La resistencia de un material se mide en Ohms (Ω), en honor al físico alemán Georg Simón Ohm (1789-1854).

La resistencia, también, no sólo depende de la resistividad del material, sino de su forma. Imagina que tienes un alambre de cobre de cierta longitud y cierto diámetro; si se duplicaran la longitud y el diámetro del alambre, su resistencia disminuye, debido a que el área de sección transversal es proporcional al cuadrado del diámetro.

Continuando con la analogía hidráulica, para que fluya líquido por una tubería que une dos depósitos de agua, es necesario que exista una diferencia de niveles entre el gua de los depósitos. Cuanto mayor sea la diferencia de estos niveles, mayor será la cantidad de agua que fluya a través de la tubería. De la misma forma, para que pase una corriente eléctrica por un alambre, es necesario que exista una diferencia potencial (voltaje). Cuando mayor sea el voltaje, fluirá más cantidad de corriente (I), mientras que cuanto mayor sea la resistencia (R), menos corriente podrá pasar. Por lo tanto, la intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor, tal como lo enuncia la Ley de Ohm: 

I= V/R         Ecuación 11

Esta ecuación muestra si la resistencia del conductor se puede considerar constante, el valor de la corriente aumentará cada vez que el voltaje aumente y viceversa.

Ley de Ohm.

Potencial eléctrico

Al trasladar una carga entre dos puntos (A y B) de un campo eléctrico, en sentido contrario a las líneas de fuerza y a velocidad contrastante, ésta realizará un trabajo para contrarrestar la fuerza que recibe. Este trabajo depende de la magnitud de la carga y es igual a la diferencia de energía potencial que existe entre ambos puntos, es decir, WAB = EPA - EPB. Considerando ambos términos sobre una base por unidad de carga eléctrica tenemos:

WAB/q0= EPA-EPB/q0          Ecuación 4

Esta energía se define como potencial eléctrico, es decir, la cantidad de energía potencial que existe en una carga dividida entre el valor de la misma.

Potencial eléctrico= EP eléctrica/carga          Ecuación 5

En el sistema internacional, la unidad del potencial eléctrico es el Coulomb/Joule o Volt. El potencial eléctrico es una energía por unidad de carga eléctrica y no es lo mismo que la energía potencial eléctrica, ya que esta, al ser un tipo de energía, se mide en Joules (J).

Como se mencionó anteriormente, al mover una carga de A hasta B se efectúa un trabajo, el cual aumenta la energía potencial de la carga. La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A y B (ΔV = Vb - Va) está relacionado con el trabajo efectuado por unidad de carga, por lo tanto:

ΔV= WAB/q0          Ecuación 6

Toda carga genera un potencial eléctrico. Imagina una fuerza electrostática actúa sobre una carga positiva situada entre dos puntos A y B, a una distancia r. Bien, considerando la Ley de Coulomb, es necesaria una fuerza para mover, a velocidad constante, dicha carga entre estos puntos. De acuerdo con la definición de trabajo, éste depende de la fuerza aplicada por el desplazamiento, por lo tanto, el potencial eléctrico creado por una carga puntual q0 a una distancia r de ésta es dado por:

ΔV = kq0/r          Ecuación 7