Conceptos Fundamentales de Electricidad y Magnetismo: Energía, Potencia, Campos y Leyes

Conceptos Fundamentales de Electricidad y Magnetismo

Electricidad

Energía Eléctrica

Es la energía que poseen los electrones cuando se desplazan a través de un conductor.

Potencia Eléctrica

Es la cantidad de energía desarrollada o consumida por un aparato eléctrico en la unidad de tiempo.

Magnetismo

Concepto de Magnetismo

Es el fenómeno físico por el cual ciertos objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Prácticamente todos los materiales son influidos, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético.

Imanes

Son materiales que presentan las propiedades del magnetismo de forma significativa.

• Imán natural: El principal imán natural es la magnetita.
• Imanes artificiales: Pueden ser:
  • Permanentes: Conservan sus propiedades magnéticas (ej. acero imantado).
  • Temporales: Pierden sus propiedades magnéticas al cesar la causa que las produce (ej. hierro dulce sometido a un campo magnético).

Campo Magnético

Es la región del espacio alrededor de un imán o una corriente eléctrica donde se manifiestan sus efectos magnéticos. Se representa mediante líneas de fuerza.

Circuito Magnético

Es el recorrido cerrado que siguen las líneas de fuerza de un campo magnético.

Flujo Magnético (Φ)

Es una medida del número total de líneas de fuerza magnética que atraviesan una superficie determinada dentro de un circuito magnético.

Interacción Magnética

El campo magnético (representado por el vector B, también llamado inducción magnética o densidad de flujo magnético) indica la fuerza magnética ejercida sobre una carga eléctrica en movimiento.

Fuerza Magnética (F_m)

Es la fuerza que un campo magnético ejerce sobre una carga eléctrica (q) que se mueve con una velocidad (v) dentro de dicho campo. Cuando la velocidad de la carga es perpendicular al campo magnético, esta fuerza actúa como una fuerza centrípeta, obligando a la carga a seguir una trayectoria circular.

Electromagnetismo

Inducción Electromagnética

Descubierta por Michael Faraday, es el fenómeno por el cual un campo magnético variable en la proximidad de un circuito eléctrico cerrado induce una corriente eléctrica en dicho circuito (corriente inducida) y, por tanto, una fuerza electromotriz (fem inducida).

Factores de la Corriente Inducida

• Solo aparece corriente si hay variación en el flujo magnético a través del circuito.
• La intensidad de la corriente inducida es mayor si:
  • El campo magnético (B) es más intenso.
  • El área (S) del circuito expuesta al campo es mayor.
  • El cambio en el flujo magnético ocurre más rápidamente.

Factores del Flujo Magnético

El valor del flujo magnético (Φ) a través de una superficie depende de:

• La intensidad del campo magnético (B).
• El área (S) de la superficie considerada (ej. el área de una espira).
• La orientación relativa entre la superficie y las líneas del campo magnético (expresada por el ángulo θ).

Causas del Cambio de Flujo Magnético

El flujo magnético a través de un circuito puede cambiar debido a:

• Movimiento relativo entre el circuito y la fuente del campo magnético (ej. mover un imán cerca de una bobina).
• Variación de la intensidad del campo magnético en el tiempo, aunque no haya movimiento relativo.
• Cambio en el área del circuito expuesta al campo magnético (ej. deformar una espira).
• Cambio en la orientación del circuito respecto al campo magnético (ej. girar una espira).

Ley de Faraday (Ley de la Inducción Electromagnética)

La fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético (Φ) que atraviesa la superficie delimitada por el circuito. Matemáticamente: fem = - dΦ/dt (el signo negativo lo explica la Ley de Lenz).

Ley de Lenz

Establece que el sentido de la corriente inducida (y de la fem inducida) es tal que se opone a la variación del flujo magnético que la produjo. Es una manifestación del principio de conservación de la energía.

Fórmulas Fundamentales

Fórmulas Eléctricas

• Potencia Eléctrica (P): P = V ⋅ I
• Ley de Ohm:
  • V = I ⋅ R
  • I = V / R
  • R = V / I
• Energía Eléctrica (E): E = P ⋅ t (Unidades comunes: Vatio-hora (Wh) o Julio (J))

Fórmulas Magnéticas y Electromagnéticas

• Fuerza Magnética (F_m) sobre una carga puntual: Fm = q ⋅ v ⋅ B ⋅ sen(θ)
  (donde θ es el ángulo entre v y B)
• Fuerza Centrípeta (F_c) para movimiento circular: Fc = m ⋅ v2 / R
• Aceleración Centrípeta (a_c): ac = v2 / R
• Radio de la trayectoria circular (R) de una carga en un campo B uniforme (cuando v ⊥ B): R = (m ⋅ v) / (|q| ⋅ B)
• Velocidad (v) en trayectoria circular: v = (R ⋅ |q| ⋅ B) / m
• Flujo Magnético (Φ) a través de una superficie plana: Φ = B ⋅ S ⋅ cos(θ)
  (donde θ es el ángulo entre el vector normal a la superficie S y el campo B)