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- Amanda Vásquez
- Kristell Zuñe

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Electrodinamica: ppt de conceptos básicos

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ELECTRODINAMICA Es la encargada de estudiar las cargas eléctricas en movimiento. Estas cargas eléctricas al desplazarse por un conductor, mas comúnmente se le denomina corriente eléctrica, sin embargo, desde el punto de vista de la...

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La electrodinámica es la rama de la física que atiende todo lo relacionado con el movimiento de las cargas eléctricas. Describe cómo es la evolución en el tiempo de un conjunto de N partículas con masa y carga eléctrica, de las cuales se conoce su posición y velocidad iniciales.

Si se trata de un gran conjunto de partículas con momentum pequeño, su movimiento y las interacciones que tienen lugar entre ellas se describen macroscópicamente a través de la electrodinámica clásica, que hace uso de las leyes de Newton del movimiento y de las leyes de Maxwell.

Y si el momentum de las partículas es grande y el número de partículas es pequeño, hay que tomar en cuenta los efectos relativistas y cuánticos.

Añadir los efectos relativistas y cuánticos al estudio del sistema depende de la energía de los fotones que intervienen durante la interacción. Los fotones son partículas sin carga ni masa (a efectos prácticos) que se intercambian siempre que hay una atracción o una repulsión eléctrica.

Si el momentum de los fotones es pequeño, comparado con el momentum del sistema, la descripción clásica es suficiente para obtener la caracterización de este.

Las leyes que describen la dinámica de las partículas cargadas fueron descubiertas entre finales del siglo XVIII y mediados del siglo XIX, cuando surge el concepto de corriente eléctrica, como resultado del trabajo experimental y teórico de muchos científicos.

El físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) fabricó la primera pila voltaica en los albores del siglo XIX. Con ella obtuvo una corriente continua, cuyos efectos comenzaron a estudiarse de inmediato.

El vínculo entre las cargas eléctricas en movimiento y el magnetismo, se puso de manifiesto con los experimentos del físico Hans Christian Oersted (1777-1851) en 1820. En ellos se observó que una corriente eléctrica era capaz de mover la aguja de la brújula del mismo modo que los imanes.

Fue André Marie Ampere (1775-1836) quien estableció en forma matemática el vínculo entre la corriente y el magnetismo, a través de la ley que lleva su nombre.

Simultáneamente Georg Simon Ohm (1789-1854) estudió cuantitativamente la forma en que los materiales conducen la electricidad. Asimismo desarrolló el concepto de resistencia eléctrica y su relación con el voltaje y la corriente, a través de la ley de Ohm para los circuitos.

Michael Faraday (1791-1867) encontró la forma de generar una corriente mediante el movimiento relativo entre la fuente de campo magnético y un circuito cerrado.

Tiempo después, el físico James Clerk Maxwell (1831-1879) creó una teoría para el electromagnetismo que unificó todas las leyes descubiertas, explicando los fenómenos conocidos hasta entonces.

Además, a través de sus ecuaciones, Maxwell predijo varios efectos que fueron confirmados más tarde. Por ejemplo, cuando Heinrich Hertz (1857-1894), descubridor de las ondas de radio, verificó que se movían a la velocidad de la luz.

Con el advenimiento de la teoría de la relatividad, a comienzos del siglo XX, se logró explicar el comportamiento de las partículas con velocidades cercanas a la de la luz, mientras que la mecánica cuántica refinó la electrodinámica al introducir el concepto de espín y explicar así el origen del magnetismo en la materia.

La electrodinámica se basa en cuatro leyes, que por separado se conocen como: ley de Coulomb, ley de Gauss, ley de Ampere y ley de Faraday.

Estas cuatro leyes, más el principio de conservación de la carga, que se deriva de ellas y la ley de la fuerza de Lorentz, describen cómo interactúan las cargas eléctricas desde el punto de vista clásico (sin considerar al fotón como mediador).

Si la velocidad de las partículas es cercana a la de la luz, su comportamiento se modifica y es preciso añadir a la teoría clásica unas correcciones relativistas que se derivan de la teoría de la relatividad de Albert Einstein ( electrodinámica relativista).

Y cuando la escala de los fenómenos a estudiar es la escala atómica o menor, adquieren relevancia los efectos cuánticos, dando lugar a la electrodinámica cuántica.

Las matemáticas necesarias para el estudio de la electrodinámica son el Álgebra vectorial y el Cálculo vectorial, dado que los campos eléctrico y magnético son entidades de naturaleza vectorial. También participan campos escalares, como el potencial eléctrico y el flujo magnético.

Los operadores matemáticos para las derivadas de las funciones vectoriales son:

Para la resolución de las ecuaciones de Maxwell se requieren sistemas de coordenadas. Además de las coordenadas cartesianas, es frecuente el uso de coordenadas cilíndricas y coordenadas esféricas.

En la integración aparecen los teoremas de Green, Stokes y el teorema de la divergencia.

Finalmente, hay una función llamada delta de Dirac, que se define a través de sus propiedades y es muy útil para expresar distribuciones de carga confinadas a una determinada dimensión, por ejemplo una distribución lineal, superficial, un punto o un plano.

El origen de las ondas electromagnéticas está en las cargas eléctricas cuyo movimiento es acelerado. Una corriente eléctrica variable en el tiempo, produce un campo eléctrico, descrito por la función vectorial E(x,y,z,t) y a su vez produce un campo magnético B (x,y,z,t).

Estos campos se combinan para formar el campo electromagnético, en el cual el campo eléctrico origina al campo magnético y viceversa.

Cuando las cargas eléctricas están estáticas, entre ellas hay atracción o repulsión electrostática, mientras que la interacción magnética surge del movimiento de las cargas.

Las cuatro ecuaciones de Maxwell relacionan cada uno de los campos con su fuente, y junto con la fuerza de Lorentz, conforman la base teórica de la electrodinámica.

El flujo de campo eléctrico que sale de un volumen encerrado por la superficie cerrada S, es proporcional a la carga neta encerrada en él:

Donde dA es un diferencial de área y k es la constante electrostática. Esta ley es consecuencia de la ley de Coulomb para la fuerza entre cargas eléctricas.

El flujo de campo magnético a través de un volumen delimitado por una superficie cerrada S es nulo, debido a que los monopolos magnéticos no existen.

En consecuencia, siempre que se encierre un imán dentro de un volumen delimitado por S, el número de líneas de campo entrantes a S es igual al número de líneas que sale:

Michael Faraday descubrió que el movimiento relativo entre una espira metálica cerrada C y un imán genera una corriente inducida. El voltaje inducido (fuerza electromotriz) ε ind, asociado a dicha corriente, es proporcional a la derivada temporal del flujo magnético Φ B que atraviesa el área delimitada por la espira:

El signo menos es la ley de Lenz, la cual señala que el voltaje inducido se opone al cambio en el flujo que lo produce. Pero la fuerza electromotriz inducida es la integral de línea del campo eléctrico a lo largo del camino cerrado C, por lo tanto:

La circulación del campo magnético sobre una curva C es proporcional a la corriente total que encierra la curva. Hay dos contribuciones a ella: la corriente de conducción I y la corriente de desplazamiento originada por la variación en el tiempo del flujo eléctrico Φ E:

Donde μ o y ε o son constantes, la primera es la permeabilidad del vacío y la segunda la permitividad eléctrica del vacío.

Las ecuaciones de Maxwell describen la relación entre E, B y sus respectivas fuentes, pero la dinámica de una carga eléctrica se describe mediante la ley de Lorentz o fuerza de Lorentz.

Ella señala que la fuerza total que actúa sobre una carga q que se mueve con velocidad en medio de un campo eléctrico E y un campo magnético B (no producidos por q) viene dada por:

Las cargas en movimiento ordenado constituyen una corriente eléctrica, que es capaz de generar energía para hacer trabajo útil: encender bombillas, mover motores, en fin, echar a andar numerosos dispositivos.

La electrodinámica hace posible la transmisión de energía eléctrica, mediante la corriente alterna, desde lugares distantes donde se transforma y genera la energía, hasta las ciudades, las industrias y los hogares.

Al tener como objetivo el estudio de las cargas en movimiento, la electrodinámica es el fundamento físico de la electrónica, la cual se ocupa de diseñar dispositivos que, a través de circuitos electrónicos, hacen uso del flujo de cargas eléctricas para generar, transmitir, recibir y almacenar señales electromagnéticas que contienen información.

1. Cosenza, M. Electromagnetismo. Universidad de los Andes.

2. Díaz, R. Electrodinámica: notas de clase. Universidad Nacional de Colombia.

3. Figueroa, D. (2005). Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB).

4. Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. 3rd. Ed. Wiley.

5. Tarazona, C. Introducción a la Electrodinámica. Editorial Universidad Manuela Beltrán.

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La electrodinámica es la rama de la física que atiende todo lo relacionado con el movimiento de las cargas eléctricas. Describe cómo es la evolución en el tiempo de un conjunto de N partículas con masa y carga eléctrica, de las cuales se conoce su posición y velocidad iniciales.

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La resistencia (r) es la dificultad que opone un cuerpo al paso de la corriente eléctrica.
Su unidad en el S.I. Es el ohm (Ω).

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Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un
circuito eléctrico.

Para efectuar la medición es necesario que la intensidad de la
corriente circule por el amperímetro, por lo que éste debe colocarse en serie.

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Conoce los tipos de corriente eléctrica...

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Conoce los tipos de corriente eléctrica...

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1. Corriente continua: Cuando los electrones fluyen siempre en la misma dirección, la corriente se llama corriente continua o directa.
La electricidad que hay en las pilas, baterías y dinamos, es corriente continua. (No varía con el tiempo)

2. Corriente alterna: Cuando los electrones van y vienen, la corriente se llama corriente alterna.
La electricidad que produce un generador, es corriente alterna.
La electricidad que hay en los hogares es corriente alterna. (Varía con el tiempo en forma sinusoidal tanto el voltaje como la corriente)

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Se llama corriente eléctrica, al paso constante de electrones a través de un conductor.
La condición necesaria para que esto suceda es que haya entre los dos puntos del conductor una diferencia de potencial.

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Aparatos para movilizar la carga eléctrica

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Aparatos para movilizar la carga eléctrica

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Hay 2 aparatos que permiten movilizar las cargas de forma práctica

1. Batería: Una batería es un aparato que produce electricidad,
al convertir energía química en energía eléctrica.
Una batería esta hecha de varias unidades pequeñas
llamadas pilas eléctricas.

2. Pilas: Una pila esta formada por electrodos y electrolito.
El electrolito es una mezcla química que produce una
reacción química liberando cargas eléctricas.
Las pilas eléctricas pueden ser húmedas o secas
dependiendo del electrólito usado.

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Dentro de la electrodinámica encontramos la electricidad..

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Dentro de la electrodinámica encontramos la electricidad..

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La electricidad es un flujo de electrones a través de un medio que sea capaz de permitir su circulación.

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La electrodinámica es la rama de la física que se centra en estudiar los fenómenos físicos relacionados con los sistemas cargados eléctricamente en movimiento, o bien con campos magnéticos y eléctricos variables en torno al tiempo.

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Fuente de electricidad : Fuerza electromotriz

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Fuente de electricidad : Fuerza electromotriz

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Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

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Para comprender el funcionamiento de los circuitos eléctricos y electrónicos y poder diseñarlos necesitamos conocer las magnitudes eléctricas que los caracterizan y saber cómo medirlas utilizando un polímetro. Las magnitudes eléctricas que vamos a ver son:

Voltaje, resistencia, intensidad, energía y potencia