Principios Fundamentales del Electromagnetismo y Fenómenos Ondulatorios

Electromagnetismo: Fundamentos y Leyes Clave

Campo Magnético (B)

El campo magnético (B) es una perturbación generada por imanes o corrientes eléctricas en el espacio cercano. Se representa mediante líneas de inducción magnética, donde el vector de inducción magnética es siempre tangente a estas líneas. La densidad de las líneas de campo es proporcional al valor numérico de B.

Diferencias entre las Líneas de Campo Magnético (B) y las Líneas de Campo Eléctrico (E):

• Las líneas de B no tienen la misma dirección que la fuerza magnética (a menos que los campos sean iguales).
• Las líneas de B son cerradas (a diferencia de las de E, que son abiertas).
• Las líneas de B salen del polo Norte, entran por el polo Sur y continúan a través del imán.
• Las líneas de B creadas por una corriente eléctrica son circunferencias concéntricas con el hilo conductor.

Fuerza de Lorentz

La Ley de Lorentz describe la fuerza que experimenta una carga eléctrica q que penetra en un campo magnético uniforme (B) con una velocidad v. Esta fuerza (F) es perpendicular al plano formado por v y B. Se calcula como:

F = q(v × B)

Esta fuerza provoca que la partícula describa una trayectoria circular de radio r, según la Segunda Ley de Newton. La fuerza de Lorentz no modifica la magnitud de la velocidad, solo su dirección. La aceleración resultante es centrípeta. El radio de la trayectoria circular es:

r = (mv) / (|q|B sin θ)

donde θ es el ángulo entre v y B.

Fuerza sobre un Hilo Conductor con Corriente

Si introducimos un hilo conductor por el que circula una corriente eléctrica (es decir, cargas eléctricas en movimiento) en un campo magnético (B), este experimentará una fuerza. La fuerza se calcula como:

F = I(L × B)

donde I es la intensidad de corriente y L es un vector cuyo módulo es la longitud del hilo, su dirección es la del hilo y su sentido es el de la corriente.

Ley de Biot-Savart

La Ley de Biot-Savart permite calcular el campo magnético (B) creado por un hilo conductor por el que circula una corriente I. Algunas de sus aplicaciones comunes son:

• Para un hilo conductor recto e indefinido: B = (μ₀I) / (2πR), donde R es la distancia perpendicular al hilo.
• Para el centro de una espira circular de corriente: B = (μ₀I) / (2R), donde R es el radio de la espira.

Definición del Amperio

Un amperio (A) se define como la intensidad de corriente que, al circular por dos hilos conductores rectilíneos, paralelos e indefinidos, separados por 1 metro en el vacío, produce una fuerza de 2 × 10⁻⁷ N/m entre ellos (de atracción si las corrientes van en el mismo sentido, de repulsión si van en sentidos opuestos).

Inducción Electromagnética

Concepto de Inducción Electromagnética

La Inducción Electromagnética es el fenómeno por el cual se genera una corriente eléctrica en un circuito cerrado debido a la variación del flujo magnético que lo atraviesa. El experimento de Faraday demostró que cuando el número de líneas de campo magnético que atraviesan una espira cambiaba, se inducía una fuerza electromotriz (FEM) en la espira, lo que a su vez provocaba la circulación de una corriente eléctrica. Esto implica la aparición de un campo eléctrico inducido cuando varía el número de líneas de campo magnético.

Ley de Lenz

La Ley de Lenz establece que el sentido de la corriente eléctrica inducida en un circuito eléctrico, debido a un cambio en el número de líneas de campo magnético que lo atraviesan, será siempre tal que se oponga a la causa que la ha producido.

Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética

La Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética cuantifica la fuerza electromotriz (FEM, ε) inducida en un circuito cerrado. Establece que la FEM inducida es igual a la variación negativa del flujo magnético (Φ) con respecto al tiempo:

ε = -dΦ/dt

Flujo Magnético (Φ)

El Flujo Magnético (Φ) es una medida del número de líneas de campo magnético que atraviesan una superficie determinada. Se calcula como el producto escalar del vector campo magnético (B) y el vector superficie (S):

Φ = B ⋅ S = BS cos θ

donde θ es el ángulo entre B y la normal a la superficie. El vector superficie (S) tiene un módulo igual al área de la superficie, su dirección es perpendicular a la superficie y su sentido es arbitrario (se elige una convención). La unidad de medida del flujo magnético en el Sistema Internacional es el Weber (Wb).

Ondas: Propagación y Tipos

Concepto de Onda

Las Ondas son una propagación de una perturbación en el espacio. En un movimiento ondulatorio, no se propaga materia, sino energía.

Tipos de Ondas según el Medio de Propagación

• Ondas Mecánicas: Transportan energía mecánica y requieren un medio material para propagarse, por lo que no pueden propagarse en el vacío (ejemplos: sonido, ondas en una cuerda, ondas en el agua).
• Ondas Electromagnéticas: Transportan energía electromagnética y no necesitan un medio material para propagarse, por lo que pueden viajar en el vacío. Consisten en la propagación de campos eléctricos y magnéticos variables y perpendiculares entre sí (ejemplos: luz visible, rayos X, microondas, ondas de radio y televisión).

Tipos de Ondas según la Dirección de Vibración

Según la dirección de propagación y la dirección de vibración de las partículas del medio (o de los campos):

• Ondas Longitudinales: La dirección de vibración es paralela a la dirección de propagación (ejemplo: el sonido).
• Ondas Transversales: La dirección de vibración es perpendicular a la dirección de propagación (ejemplos: ondas electromagnéticas, ondas en una cuerda).

Doble Periodicidad de las Ondas

• Periodicidad Espacial: Todos los puntos de una onda separados por múltiplos enteros de la longitud de onda (λ) se encuentran en el mismo estado de vibración (misma elongación, velocidad y aceleración), es decir, están en fase.
• Periodicidad Temporal: Si nos fijamos en un punto fijo del espacio (x), el movimiento se repite periódicamente. El estado de vibración de ese punto será el mismo en los instantes t, t + T, t + 2T, etc., donde T es el periodo.

Ambas periodicidades están relacionadas por la velocidad de propagación (v) de la onda:

v = λ / T

Interferencia y Ondas Estacionarias

La Interferencia es el efecto físico que ocurre cuando dos o más ondas se superponen en un punto o zona del espacio.

• Las Ondas Estacionarias son un tipo particular de interferencia que se produce cuando dos ondas idénticas que viajan en direcciones opuestas se superponen.
• La interferencia será constructiva cuando la amplitud resultante alcance su valor máximo, lo que ocurrirá cuando las ondas llegan en fase.