INDICE
INTRODUCCION ..............................................................................................................................
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7.1 DEFINICIONES ........................................................................................................................... .........................................................................................................................
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7.2 CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE .....................................................................................
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7.3 TRAYECTORIA DE LAS CARGAS EN MOVIMIENTO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO. ...................................................................................................................................
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7.4 FUERZAS MAGNÉTICAS ENTRE CORRIENTES. ............................................................. 7.9 DENSIDAD DE ENERGÍA MAGNÉTICA .............................................................................
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7.10 APLICACIONES. ...................................................................................................................
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CONCLUSION ................................................................................................................................
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BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................................
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INTRODUCCION
El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido. Este fenómeno esta presente en los campos magnéticos de la tierra eso permite varios fenómenos como la aurora boreal entre otros así como en la medicina se pude aplicar en algunas terapias como es la magnetoterapia.
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7.1 DEFINICIONES El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Estos dos fenómenos se unen en una sola teoría, ideada por Faraday, y se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos, campos magnéticos y sus respectivas fuentes, conocidas como las ecuaciones de Maxwell. El electromagnetismo es una teoría de campos, es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas cuya descripción matemática son campos vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo estudia 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. 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. El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.
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7.2 CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE La Tierra crea a su alrededor un campo magnético semejante al que produciría un imán con forma de barra colocado cerca de su centro. Los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos. En la actualidad, el polo norte nor te magnético y el polo sur geográfico distan entre sí unos 1.300 km, mientras que el polo sur magnético y el polo norte geográfico distan unos 1.200 km entre sí. Además. Las posiciones de los polos cambian con el tiempo, habiendo sufrido incluso unas cuatro inversiones completas en los últimos 4,5.10 6 años a un promedio de una cada 10 6 años. La evidencia de estos acontecimientos la han proporcionado las rocas de basalto que, al contener hierro, guardan recuerdo de la dirección del campo magnético en el momento en el que solidificaron. Una brújula colocada en un punto del exterior de la Tierra se orienta paralela al Campo magnético terrestre, de forma que las líneas de campo penetran por su polo sur y salen por su polo norte. Su utilización para la navegación marítima se remonta al siglo XI de nuestra era y ha supuesto una ayuda inestimable cuando la climatología impedía orientarse por métodos astronómicos. La propiedad de orientación de las agujas imantadas se conocía en China desde alrededor de 2300 a. C. Se cree que fue usada por Aníbal en el 203 a. C. El valor del módulo del campo magnético terrestre es de unos 50 mT. Es máximo en las proximidades de los polos y mínimo en el Ecuador. El ángulo que forma la dirección del vector campo magnético terrestre con la horizontal de un lugar se llama ángulo de inclinación. En el hemisferio norte el campo magnético tiene componente vertical hacia dentro de la Tierra y en el hemisferio sur es al contrario.
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El ángulo que forma la dirección del campo en un punto con la dirección norte sur Geográfico se llama declinación. El ángulo de declinación viene a cambiar 1 o cada 10-20 años. Por ejemplo, en Toledo (Observatorio Geofísico) las medias anuales de la declinación han sido 9 o 19,3' Oeste (en 1950), 8 o 5,9' Oeste (en 1960), 7 o 4' Oeste (en 1970) y 5 o 45,9´ Oeste (en 1980). En el Observatorio Magnético de San Pablo de los Montes (Toledo), la media anual en 1994 fue de 3 o 58' Oeste, y el 7 de julio de 1998 la declinación en ese lugar fue de 3 o 17.8' Oeste. No existe una explicación completamente satisfactoria del origen del magnetismo terrestre. Aunque la Tierra posee en su interior una gran cantidad de hierro no se puede deber al ferromagnetismo, pues las altas temperaturas allí existentes prohíben esta magnetización. El origen más probable son las corrientes eléctricas existentes en el núcleo terrestre. También existe una fuerte relación entre la velocidad angular de rotación de un planeta y su campo magnético: a mayor velocidad angular mayor campo magnético.
7.3 TRAYECTORIA DE LAS CARGAS EN MOVIMIENTO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO. En la electrostática se enseña que toda carga eléctrica está rodeada por un campó eléctrico. Si esta carga se pone en movimiento genera alrededor de ella un campo magnético, el campo magnético que genera una carga en movimiento se debe a la distorsión que sufre el campo eléctrico cuando la carga está en movimiento, si la carga no se mueve no se produce un campo magnético. Albert Einstein en 1905 explicó este fenómeno en la teoría especial de la relatividad en donde demostró que el campo magnético es una consecuencia relativista del campo eléctrico. En un imán el campo magnético es producido por los electrones que se mueven alrededor del núcleo atómico, el electrón también tiene movimiento rotacional alrededor de su eje, esto también es una corriente eléctrica (carga en movimiento)
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por lo que también produce un campo magnético. El magnetismo en materiales como el hierro, níquel y cobalto los campos magnéticos que producen los átomos no se anulan totalmente por lo que estos materiales poseen magnetismo natural. Una partícula que tiene carga eléctrica y está en reposo no siente la presencia de un campo magnético externo debido a que, por estar en reposo, no produce un campo magnético que interactúe con el campo magnético externo. Si la partícula se pone en movimiento produce un campo magnético que interactúa Con el campo magnético externo y siente una fuerza debida a esta interacción. Esta fuerza magnética alcanza su intensidad máxima cuando la partícula cargada se mueve en dirección perpendicular a las líneas del campo magnético y se anula cuando la partícula viaja en dirección paralela a las líneas del campo magnético. La fuerza magnética que siente una carga q que se mueve con una velocidad v dentro de un campo magnético B es. F= qv X B
(1)
Esta fuerza desvía a la partícula y la hace seguir una trayectoria circular de radio r. Por la segunda ley de Newton sabemos que F = ma, por lo que si se sustituye la magnitud de la fuerza en la ecuación 1 y suponemos que la velocidad de la partícula es perpendicular al campo magnético se obtiene. ma = qvB
(2)
Como la trayectoria que sigue la partícula es circular, la aceleración está dada por a=v2/r, esta aceleración se sustituye en la ecuación 2 y se reordenan los términos para obtener la relación entre la carga y la masa de la partícula. q/m=v/rB (3) La ecuación 3 se conoce como la relación carga-masa del electrón de Thomson en honor al investigador J.J. Thomson quien la encontró por primera vez en 1897.
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7.4 FUERZAS MAGNÉTICAS ENTRE CORRIENTES. Magnetismo Los polos magnéticos iguales se repelen y los polos magnéticos diferentes se atraen. Campos magnéticos Todo imán está rodeado por un espacio en el que están presentes sus efectos magnéticos, a esta zona se le llama campo magnético, las líneas de flujo son útiles para visualizar los campos magnéticos, estas líneas del flujo magnético abandonan el polo norte y entran al polo sur. Teoría moderna del magnetismo Los átomos en un material magnético están agrupados en microscópicas regiones magnéticas llamadas dominios. Los dominios magnéticos están orientados en forma aleatoria en un material no magnético. Los dominios magnéticos están alineados con un patrón en un material magnetizado. Densidad de flujo y permeabilidad La densidad de flujo magnético es el número de líneas de flujo que pasan a través de una unidad de área perpendicular a esa región. Campo magnético y corriente eléctrica La corriente que pasa a través de un alambre crea una fuerza giratoria en la aguja de la brújula hasta que ésta apunta en una dirección perpendicular al alambre. 6
La magnitud de una fuerza magnética varía con el ángulo que forma una carga en movimiento con respecto a la dirección del campo magnético. Un campo magnético que tiene una densidad de flujo de un tesla (un weber por metro cuadrado) ejercerá una fuerza de un newton en una carga de un coulomb que se mueve perpendicularmente al campo a una velocidad de un metro por segundo. Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente La fuerza sobre un conductor por el que fluye corriente depende del ángulo que Forma la corriente con respecto a la densidad de flujo. Campo magnético de un conductor largo y recto Si el alambre se toma con la mano derecha de modo que el pulgar apunte en la dirección de la corriente convencional, los demás dedos que sujetan al conductor indicará la dirección del campo magnético.
7.5 LEYES DEL ELECTROMAGNETISMO Ley de Faraday La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
Donde
→
es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C,
→
es
la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C.
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Las direcciones del contorno C y de derecha.
están dadas por la regla de la mano
La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo. Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una:
Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo. En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:
7.6 LEY DE AMPERE La ley de Ampere, modelada por André-Marie Ampere en 1831,1 relaciona un campo magnético estático con la causa que la produce, es decir, una corriente eléctrica estacionaria. James Clerk Maxwell la corrigió posteriormente y ahora es una de las ecuaciones de Maxwell, formando parte del electromagnetismo de la física clásica. La ley de Ampere explica, que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que lo recorre en ese contorno.
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El campo magnético es un campo angular con forma circular, cuyas líneas encierran la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que encierra la corriente. El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor. La ley de Ampere-Maxwell o ley de Ampere generalizada es la misma ley corregida por James Clerk Maxwell que introdujo la corriente de desplazamiento, creando una versión generalizada de la ley e incorporándola a las ecuaciones de Maxwell. Forma integral
Siendo el último término la corriente de desplazamiento. Siempre y cuando la corriente sea constante y directamente proporcional al campo magnético, y su integral (E) por su masa relativa. Forma diferencial Esta ley también se puede expresar de forma diferencial, para el vacío:
O para medios materiales
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7.7 INDUCTANCIA MAGNÉTICA La inductancia es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un inductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia. La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia. Existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito sobre sí mismo llamados de inducción propia o autoinducción; y los producidos por la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua.
Un ejemplo de inductancia propia, lo tenemos cuando por una bobina circula una corriente alterna. Como sabemos, al circular la corriente por la bobina formará un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido de la corriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con lo cual se produce una variación en las líneas del flujo magnético a través de ella, esto producirá una fem inducida en la bobina. La fem inducida con sus respectivas corrientes inducidas son contrarias a la fem y la corriente recibidas. A este fenómeno se le llama autoinducción. Por definición: la autoinducción es la producción de una fem en un circuito por la variación de la corriente en ese circuito. La fem inducida siempre se opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem autoinducida se mide con una magnitud llamada inductancia.
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La bobina es conocida como autoinductor o simplemente inductor. En muchos circuitos de corriente alterna se utilizan inductores o bobinas con el objetivo de producir, en forma deliberada, inductancia en el circuito; cuando ésta posee un gran número de espiras tiene un alto valor de inductancia y en caso contrario su valor es pequeño. Cuanto mayor sea la inductancia, más lentamente se elevará o descenderá la corriente dentro de la bobina. Como el fenómeno de la inductancia se debe a que un cambio de corriente en una bobina induce una fem en ella, el Henry se puede definir en términos de la fem inducida por unidad de rapidez de cambio de la corriente. Por lo tanto, la inductancia equivale a un henry si la rapidez de cambio de la corriente es de un ampere por segundo e induce una fem de un volt. Matemáticamente se expresa:
O bien, si despejamos a la fem inducida queda:
Donde: L= inductancia expresada en volts-segundo/ampere= Henry (H). ε = fem inducida medida en volts. Δi = cambio de la corriente cor riente en e n amperes ampe res (A). La letra i indica que es una corriente
inducida. Δt = tiempo en el que se efectua el cambio en la corriente medida en segundos
(seg). El signo negativo indica que la fem autoinducida ε es una fuerza electromotriz que se opone al cambio de la corriente. 11
7.8 Energía asociada con un campo magnético Hemos
visto
que
la
energía
potencial
electrostática que poseen dos cargas puntuales q1 y q2 situadas a la distancia r 12 12, viene medida por el trabajo que se realiza al trasladar la carga q1 (o la q2) en presencia de q2 (de q1) desde el infinito hasta la distancia indicada en la distribución de la Fig. XVIII-42; su valor era:
Fig. XVIII-42. Energía potencial de Dos cargas puntuales.
Si q1 y q2 son del mismo signo, el trabajo se ha efectuado sobre el sistema (han de empujarse una hacia la otra) y por tanto es positiva. Dicha energía sería negativa si q1 y q2 fueran de distinto signo, lo que quiere decir que en este caso es el campo eléctrico el que realiza un trabajo positivo. Supongamos ahora una distribución de tres cargas como indicamos en la Fig. XVIII-43. La energía que posee el sistema será el trabajo necesario para formar dicha configuración. Si tenemos q 1 y traemos q2 el trabajo será el ya expresado en la fórmula anterior; a continuación traemos q3 el trabajo será:
luego el trabajo total o energía del sistema es:
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Fig. XVIII-43.Energía que posee Un sistema de tres cargas puntuales.
generalizando para una distribución de cargas puntuales, la energía del sistema será:
∑∑
Hemos puesto el término 1/2 porque los productos binarios q i q j y q j qi aparecen dos veces. Esta última ecuación la podemos escribir e scribir de la siguiente forma:
∑ ∑ ∑
En donde el término entre paréntesis es el potencial electrostático debido a todas las cargas excepto a la q i en el punto donde ésta se encuentra, llamándolo V i nos quedará:
∑
Si tenemos una distribución continua de carga definida por su densidad volumétrica p(r) en vez de la distribución discreta de cargas puntuales, la carga en cada punto P (x, y, z) será: dq = p dv y el potencial en ese punto será V (x, y, z) debido a todas las cargas excepto a dq, entonces la expresión de la energía asociada a la distribución nos quedará:
∫
Es evidente que el valor de U será el mismo si la integral la extendemos a todo el espacio en vez de al volumen v (que encierra todas las cargas) puesto que fuera de ese volumen r = 0 y el integrando para esos puntos es nulo.
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7.9 DENSIDAD DE ENERGÍA MAGNÉTICA La expresión diferencial de la (18) es:
→
La cual nos indica una propiedad local del campo por la que podemos asociar a cada punto de él una magnitud escalar, que nos representa una densidad de energía por unidad de volumen. Vamos a relacionar esta energía potencial U con el campo eléctrico en cada punto debido a tal distribución; para lo cual tendremos
→
en cuenta la ecuación de Poisson:
, que se cumple
para todos los puntos del campo. Sustituyendo este valor en la anterior nos queda:
Esta ecuación se puede simplificar empleando la identidad vectorial:
Que admitimos sin demostración, y aunque ésta no es difícil, no apo8rta ningún concepto físico en su razonamiento; en ella f es una función escalar y a una
→ [] → función vectorial. Si ponemos
Y como:
, obtenemos:
, se obtiene:
Que sustituida en (19) nos queda:
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Como la primera integral es nula (como demostraremos a continuación) nos queda para valor de la energía asociada a un campo eléctrico E (r):
Y la expresión que nos mide la densidad de energía asociada a un campo eléctrico será:
Esto significa que en cada punto del espacio donde hay un campo eléctrico puede definirse una magnitud escalar positiva que representa la energía eléctrica por unidad de volumen. A partir de un campo eléctrico se llega a un campo de energía eléctrica.
7.10 APLICACIONES. MEDECINA
MAGNETOTERAPIA Hoy en día los imanes permanentes están expandiendo su rol dentro del mundo de la medicina y la salud, ofreciendo un alivio a los dolores extremos. Muchas personas los han usado para calmar dolores, insomnios, artrosis, dolores musculares y mucho mas dándoles energía vital para su cuerpo. Se ha encontrado en los imanes permanentes una herramienta segura y versátil para ayudar al organismo en su proceso de cura. La magnetoterapia como terapia natural segura, no perjudicial, barata, no produce adicción y no tiene efectos colaterales como la mayoría de las drogas por que con la magnetoterapia se puede aliviar dolores y como actúa dentro de nuestro organismo. Muchos investigadores creen que los imanes permanentes aumentan
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la circulación, energizan y oxigena la sangre, y que ese incremento de energía en la sangre fluye estimulando nuestro cuerpo como un proceso de cura neutral.
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CONCLUSION
Que un campo eléctrico se el espacio en en el que colocada una partícula cargada ésta experimenta una fuerza, llamada fuerza eléctrica. Ademas el electromagnetismo estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos, este puede ser producido por un iman o naturalmente como el que existe en la tierra.
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BIBLIOGRAFIA
http://www.itescam.edu.mx/principal/webalumnos/sylabus/asignatura.php?clave_a sig=SCF-1006&carrera=ISIC-2010-224&id_d=135 http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Amp%C3%A8re http://www.buenastareas.com/ensayos/Fisica/3613723.html
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