introducción a la teoría electromagnética clase 1

INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA ELECTROMAGNÉTICAClase 01

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell.

La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo.

El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

CARGA ELÉCTRICA Hay dos tipos de carga en la naturaleza, llamadas

positivas y negativas, es decir con la propiedad de que cargas diferentes se atraen unas y otras y cargas similares se rechazan entre sí.

CARGA ELÉCTRICA Por lo tanto propiedades fundamentales de la carga

eléctrica son: Cuantización. Todas las cargas observables se presentan

en cantidades enteras de la unidad fundamental de la carga e. Es decir la carga esta cuantizada.

La carga del electrón es –e y la del protón es +e e = 1.60x10-19 C

CARGA ELÉCTRICA Toda carga presente en la naturaleza puede escribirse en

la forma

Siendo N un numero entero. Sin embargo, en objetos ordinarios N es usualmente muy grande y la carga parece ser continua, del mismo modo que el aire parece ser un medio continuo y realmente consta de muchas moléculas discretas.

Q Ne

CARGA ELÉCTRICA Por ejemplo, al cargar una barra de plástico frotándola

con un trozo de piel se transfiere del orden de 1010

electrones de la barra.

CARGA ELÉCTRICA Conservación de la energía. La carga se conserva, es decir,

en cualquier proceso ni se crea ni se destruye; simplemente se transfiere.

Por lo tanto la unidad del SI de carga es el coulomb, el cual se define en función de la unidad de la corriente o intensidad eléctrica, el amper (A, es la unidad de corriente utilizada en los circuitos eléctricos habituales)

CARGA ELÉCTRICA El coulomb (C) es la cantidad de carga que fluye a través

de un cable de un conductor en un segundo cuando la intensidad de corriente en el mismo es de un Amper.

La unidad fundamental de carga eléctrica e esta relacionada con el coulomb por:

e = 1.602177 x 10-19 C ≈ 1.60 x 10-19 C

CARGA ELÉCTRICA Existen tres procesos, para cargar un cuerpo: Por Frotamiento . Cuando la ebonita y la lana se ponen

en contacto por frotamiento, hay un paso espontaneo de electrones de la lana a la ebonita esto adquiere por lo tanto, un exceso de electrones y resulta cargada negativamente, mientras que la lana que ha perdido electrones se carga positivamente.

CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:

CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:

CARGA ELÉCTRICA Las características de este proceso son: Los cuerpos inicialmente se encuentran neutros (carga

neta nula). Hay transmisión de carga No hay creación de carga eléctrica La cantidad de carga es la misma en ambos cuerpos,

pero de signo opuesto, al final del proceso.

CARGA ELÉCTRICA Por contacto. En este caso uno de los cuerpos tiene que

estar cargado, ya se apositivo o negativo. Cuando los cuerpos se ponen en contacto, el cuerpo

cargado (inductor) atrae las cargas de signo opuesto y repele la de igual signo. Al producirse el contacto instantáneo, las cargas negativas pasan al inductor (si es positivo) y las cargas positivas se repelen y quedan en exceso en el cuerpo que se quiere cargar.

CARGA ELÉCTRICA Como se muestra en la siguiente figura:

CARGA ELÉCTRICA Como se muestra en la siguiente figura:

CARGA ELÉCTRICA Como se puede observar el cuerpo queda cargado, de

igual signo, que el inductor. Por inducción. En este caso es necesario que uno de los

cuerpos este cargado (inductor), al acercarse al cuerpo, se atrae las cargas de signo opuesto y se repele las cargas de igual signo.

CARGA ELÉCTRICA A continuación, el cuerpo que se quiere cargar (inducido)

se coloca a tierra y las cargas negativas van a tierra, si el inductor es negativo. Ascienden cargas negativas, si el inductor tiene cargas de signo positivo. Al final el cuerpo se carga de signo opuesto al inductor.

CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:

CARGA ELÉCTRICAComo se muestra en la siguiente figura:

RESUMEN Carga Eléctrica La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la

materia. Propiedades de las cargas eléctricas Las cargas eléctricas pueden ser de dos tipos: positivas y

negativas. Las cargas distintas de signo distinto se atraen y las del

mismo signo se repelen.

RESUMEN Carga Eléctrica La carga esta cuantizada, es decir, existe en múltiplos

enteros de la carga del electrón.

La carga eléctrica siempre se conserva en los sistemas.

Carga electrica = número entero carga del electrónq Ne

RESUMEN Carga Eléctrica La unidad de la carga eléctrica en el SI es el coulomb (C) La carga del electrón es de −1.6×10−19𝐶

PROBLEMAS DE CARGA ELÉCTRICA Problema 1 Al frotar una barra de plástico con un paño de lana

aquella adquiere una carga de -0.8 µC. ¿Cuántos electrones se transfieren del paño de la lana a la barra de plástico?

SOLUCIÓN La carga adquirida por la varilla de plástico es un número

entero de cargas , por lo tanto tenemos que Relacionamos la carga adquirida por la varilla de plástico con

el número de electrones transferidos al paño de lana:

eq n e

SOLUCIÓN Por lo tanto evaluamos para :

1219

0.8 5.00 101.6 10e

q Cne C

PROBLEMAS DE CARGA ELÉCTRICA Problema 2 Una carga igual a la de un numero de Avogadro ( de

protones se denomina un Faraday. Calcular el numero de coulombs que hay en un faraday?

SOLUCIÓN Una . Podemos usar esta definición para encontrar el

número de coulombs en un Faraday. Por lo tanto tenemos:

23 19

4

1 6.02 10 1.6 10 /

1 9.63 10 96,320

A

A

faraday N e protones C protones

faraday N e C C

PROBLEMAS DE CARGA ELÉCTRICA Problema 3 Calcule la carga neta en una sustancia que esta formada

por:

a) Una combinación de protones y electrones

SOLUCIÓN La carga neta en una partícula esta dada por

13

13 -19

carga

) 5 10 electrones

0 5 10 1.6 10 8

protones electrones protón

electrones

q N N

a N

q q uC

14 14

14 14 19

) 4.3 10 protones, 2.5 10 electrones

4.3 10 2.5 10 1.6 10

28.8

protones electronesb N N

q

q C

Es conveniente clasificar las sustancias en términos de su capacidad para conducir carga eléctrica:

Los conductores eléctricos son materiales en que las cargas eléctricas se mueven con bastante libertad, en tanto que los aislantes eléctricos son materiales en los que las cargas eléctricas no se mueven con tanta libertad.

Los semiconductores son una tercera clase de materiales y sus propiedades eléctricas se encuentran entre los aislante y la de los conductores.

El silicio y el germanio son ejemplos bien conocidos de semiconductores utilizados comúnmente en la fabricación de diversos dispositivos electrónicos tales como transistores y diodos emisores de luz.

Las propiedades eléctricas de los semiconductores pueden cambiar en varios ordenes de magnitud añadiendo a los materiales cantidades controladas de ciertos átomos.

Cuando un conductor se conecta a la tierra por medio de un alambre o tubo de conducción se dice que esta aterrizado. La tierra puede considerarse entonces un sumidero infinito al cual las cargas eléctricas pueden emigrar fácilmente. Con esto en mente se puede entender de que manera se carga un conductor por medio de un proceso conocido por inducción.