Electricidad y magnetismo CN-G10-DBA2
Grado 10 · Ciencias Naturales
La electricidad y el magnetismo se unifican como dos manifestaciones del campo electromagnético formalizado por las ecuaciones de Maxwell. El tratamiento cuantitativo de cargas, corrientes, campos y circuitos permite predecir el comportamiento de sistemas desde una red doméstica hasta las líneas nacionales de transmisión de alta tensión.
La ley de Coulomb cuantifica la fuerza entre dos cargas puntuales: F = kq₁q₂/r², con k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C². La fuerza es atractiva entre cargas de signos opuestos y repulsiva entre cargas del mismo signo. El campo eléctrico E asociado a una carga se define como F/q.
El potencial eléctrico V se define como la energía potencial eléctrica por unidad de carga. Su relación con el campo queda dada por E = −dV/dx en una dimensión. La diferencia de potencial entre dos puntos determina el trabajo necesario para trasladar una carga unitaria y constituye la magnitud medida por un voltímetro.
Un capacitor C almacena energía en el campo entre dos placas separadas por un dieléctrico: C = Q/V y la energía almacenada queda dada por U = ½CV². Los capacitores son esenciales en filtros, fuentes de alimentación y memorias.
En un circuito en serie las resistencias se suman: R_eq = R₁ + R₂ + R₃. En un circuito en paralelo se suman los inversos: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃. La ley de Kirchhoff organiza el análisis de redes mediante dos enunciados: la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la que sale (conservación de la carga), y la suma de caídas de potencial en una malla cerrada es igual a cero (conservación de la energía).
Un inductor L almacena energía en su campo magnético: U = ½LI². Los inductores y capacitores forman, junto con las resistencias, la base de los circuitos resonantes LC y RLC empleados en radiocomunicación.
La ley de Faraday describe la inducción electromagnética: una variación temporal del flujo magnético Φ = BA·cosθ induce una fuerza electromotriz ε = −dΦ/dt en un circuito cerrado. La ley de Lenz establece que la corriente inducida circula en el sentido que se opone al cambio del flujo magnético que la generó, principio que garantiza la conservación de la energía.
El transformador aplica la inducción electromagnética para modificar el voltaje en redes de corriente alterna mediante la relación de espiras N₁/N₂ = V₁/V₂. Esta tecnología sustenta la red eléctrica colombiana, los motores AC industriales y los generadores eólicos.