Electromagnetismo básico CN-G9-DBA5

El electromagnetismo describe la interacción unificada entre cargas eléctricas estacionarias (electrostática) y cargas en movimiento (magnetismo y corrientes), formalizada por Maxwell en cuatro ecuaciones. Su comprensión explica fenómenos desde el rayo atmosférico hasta el funcionamiento de motores, generadores industriales y telecomunicaciones modernas.

El campo eléctrico E se define como la fuerza por unidad de carga sobre una carga de prueba en un punto del espacio. Las líneas de campo salen de cargas positivas y entran en cargas negativas. La ley de Coulomb cuantifica la fuerza entre dos cargas puntuales: F = kq₁q₂/r², donde k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C² es la constante de Coulomb y r la distancia entre cargas.

La corriente eléctrica I se define como la cantidad de carga que atraviesa una sección transversal por unidad de tiempo: I = dQ/dt. Su unidad SI es el amperio (A). En un conductor óhmico la relación entre voltaje V y corriente queda determinada por la ley de Ohm V = IR, donde R es la resistencia del conductor. La potencia disipada por efecto Joule se calcula como P = VI = I²R y representa la energía convertida en calor por unidad de tiempo.

El campo magnético B, medido en teslas (T), se genera por imanes permanentes o por cargas en movimiento. La regla de la mano derecha permite visualizar su dirección: el pulgar apunta en el sentido de la corriente convencional y los demás dedos curvados indican el sentido de B alrededor del conductor.

La fuerza de Lorentz F = qv × B actúa sobre toda carga q que se mueve con velocidad v dentro de un campo magnético B. Su magnitud queda determinada por |F| = |q|·v·B·sen θ, donde θ es el ángulo entre v y B; su dirección es perpendicular al plano definido por ambos vectores. Este principio explica el funcionamiento del ciclotrón, del espectrómetro de masas y de los motores eléctricos.

La inducción electromagnética, descubierta por Faraday en 1831, establece que un campo magnético variable en el tiempo induce una fem en un circuito cercano. La ley de Faraday cuantifica este efecto: ε = −dΦ/dt, donde Φ es el flujo magnético. Sus aplicaciones tecnológicas incluyen el generador, el motor eléctrico y el transformador, pilares de la red eléctrica colombiana y de las telecomunicaciones modernas.

Práctica

Observa el diagrama de fuerza de Lorentz arriba. Una partícula con q = +2 × 10⁻⁶ C se mueve con velocidad v = 3 × 10⁵ m/s perpendicular a un campo magnético B = 0,5 T. Calcula la magnitud de la fuerza de Lorentz.

|F| = |q|·v·B·sen 90° = (2 × 10⁻⁶)(3 × 10⁵)(0,5)(1) = 0,3 N. La dirección es perpendicular al plano que contiene v y B, hacia arriba para carga positiva según la regla de la mano derecha.

Un circuito tiene una batería de 12 V conectada a una resistencia de 4 Ω. Calcula la corriente que circula y la potencia disipada por la resistencia.

I = V/R = 12/4 = 3 A. P = VI = (12)(3) = 36 W. La resistencia disipa 36 W como calor (efecto Joule); equivalentemente P = I²R = (3)²(4) = 36 W.

Explica brevemente la regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético generado por un cable que lleva corriente.

Si el pulgar apunta en la dirección de la corriente convencional I (del polo positivo al negativo externamente), los demás dedos curvados indican el sentido del campo magnético B que circunda al cable. Para una espira o solenoide, los dedos siguen el sentido de la corriente y el pulgar señala el polo norte del campo resultante.