Principios de Electricidad y Magnetismo: Una Revisión Completa

Energía Potencial Eléctrica

La energía potencial eléctrica es la cantidad de energía potencial que tiene una partícula cargada eléctricamente debido a su posición en un campo eléctrico.

• Siempre que una carga positiva se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial aumenta, y siempre que una carga negativa se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial disminuye.
• La energía potencial del sistema es igual al trabajo realizado contra las fuerzas eléctricas para llevar la carga +q desde el infinito hasta ese punto.

Verificación del conocimiento 1

• La energía potencial eléctrica tiene cierta similitud con la energía POTENCIAL GRAVITACIONAL.
• Cuando una carga negativa se mueve en contra del campo eléctrico, la ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA disminuye.

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico nos permite predecir la energía potencial debida a otra carga situada en cualquier punto.

• El potencial en determinado punto, como muestra la siguiente figura, es igual a la energía potencial por unidad de carga.
• Las unidades de potencial se expresan en Joules (J) por Coulomb (C), y se conocen como Volt (V).
• El potencial debido a una carga positiva es positivo, y el potencial debido a una carga negativa es negativo.

Verificación del conocimiento 2

• El potencial eléctrico es igual a la energía potencial por unidad de carga y su unidad en el SI es el Voltio: FALSO. (La unidad es el Voltio, no Volta)
• El potencial eléctrico es otra propiedad que se le da al espacio que rodea una carga eléctrica: VERDADERO.
• El potencial eléctrico para un número finito de cargas es igual a la suma vectorial de los potenciales eléctricos que corresponden a cada carga: FALSO. (Es la suma algebraica, no vectorial)

Diferencia de Potencial, Tensión y Flujo de Electrones

Diferencia de Potencial: La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo por unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas para mover una pequeña carga de prueba desde el punto de mayor potencial al punto de menor potencial.

Tensión eléctrica o diferencia de potencial (Voltaje): Magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos y se mide con un voltímetro.

Flujo de electrones: Se produce cuando dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor.

Corriente eléctrica: Traslado de cargas, y su unidad en el SI es el Amperio (A).

Potencial Nulo: Se denomina como Tierra.

Voltímetro: Instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.

Pila: Dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica.

Batería: Agrupación de dos o más pilas unidas en serie o paralelo, muy usada en radios portátiles o lámparas.

Fuerza Electromotriz (FEM): Diferencia de potencial entre dos puntos.

Verificación del conocimiento 3

• En electricidad, es de suma importancia conocer el trabajo por unidad de carga que se realiza para trasladar una carga al infinito: FALSO.
• La tensión entre dos puntos depende del camino recorrido por la carga y es independiente del potencial eléctrico de dichos puntos en el campo eléctrico: FALSO.
• A la capacidad de poder producir corriente eléctrica se le denomina FEM: VERDADERO.

Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son aquellas en las que el potencial toma un valor constante.

• Las líneas de campo eléctrico son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipotenciales y se dirigen hacia donde el potencial disminuye.
• El trabajo para desplazar una carga entre dos puntos de una misma superficie equipotencial es nulo.
• Dos superficies equipotenciales no se pueden cortar.

Verificación del conocimiento 4

• Cuando una carga se mueve sobre una superficie equipotencial, la fuerza electrostática siempre realiza un trabajo: FALSO.
• El campo eléctrico siempre es perpendicular a las superficies equipotenciales: VERDADERO.
• El trabajo para desplazar una carga entre dos puntos de una misma superficie equipotencial es nulo: VERDADERO.

Conceptos de Magnetismo

Campos Magnéticos: Espacio que rodea a un imán, en el cual se manifiestan los efectos magnéticos.

Dominios: Microscópicas regiones magnéticas donde están agrupados los átomos de un material magnético.

Imán: Objeto que ejerce una fuerza magnética.

Inducción Magnética: Capacidad de un objeto no magnetizado (como una barra de hierro) para transformarse en un imán simplemente sosteniendo otro imán cerca de él o en contacto con él.

Ley de la Fuerza Magnética: Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen.

Magnetismo: Propiedad de atraer el hierro, cobalto, níquel y ciertas aleaciones de estos metales.

Magnetita: También conocido como piedra imán.

Polos Magnéticos: Extremos donde se concentra la fuerza del imán.

Retentividad: Capacidad de retener el magnetismo.

Weber: Unidad del Flujo Magnético en el SI.

Campo Magnético: Región donde se manifiestan los efectos de un imán.

Intensidad de un Campo Magnético: Se puede medir mediante la inducción magnética o densidad de flujo (B), y la unidad de medida de esta magnitud es el Tesla (T).

Flujo Magnético: Número total de líneas de inducción magnética que atraviesan una superficie, simbolizado por (Φ).

Introducción de un campo eléctrico: Provoca la alineación de los dominios, y eso da como resultado la magnetización.

Permanentemente magnetizado: Los dominios se vuelven a desorientar; si permanecen alineados en cierto grado después de que el campo se ha eliminado, el objeto queda permanentemente magnetizado.

Saturación magnética: Propiedad de materiales magnéticos, se explica fácilmente a la luz de la teoría del dominio.

Permeabilidad relativa: Razón de la permeabilidad respecto a su correspondiente vacío.

Verificación del conocimiento 1

• En la naturaleza existe la llamada MAGNETITA, que tiene la propiedad de atraer las aleaciones de metales.
• Las líneas de flujo magnético salen del polo NORTE de un imán y entran por el polo SUR.
• La alineación de dominios da como resultado la MAGNETIZACIÓN.

Verificación del conocimiento 2

• Si la carga es POSITIVA, la dirección de la fuerza magnética (F) se determina por la regla de la mano derecha.
• La fuerza magnética máxima es alcanzada cuando la trayectoria de la carga es PERPENDICULAR al campo.
• El descubrimiento de OERSTED significó el primer nexo entre electricidad y magnetismo.

Ley de Lorentz

La Ley de Lorentz establece que una partícula cargada (q) que circula a una velocidad (v) por un punto en el que existe una intensidad de campo magnético (B), sufrirá la acción de una fuerza (F).

• Su valor es proporcional al valor de (q).
• La dirección y sentido de la fuerza de Lorentz puede determinarse por medio de la regla de la mano derecha.
• Siempre es normal a la trayectoria.

Verificación del conocimiento 3

• Los campos MAGNÉTICOS ejercen una acción sobre cargas eléctricas que se encuentran en movimiento.
• Cuando una partícula se encuentra en MOVIMIENTO dentro de un campo magnético, esta experimentará la fuerza de Lorentz.
• La fuerza de Lorentz generalizada implica que una partícula se encuentre sometida a dos fuerzas, una en la dirección del campo ELÉCTRICO y otra perpendicular al campo MAGNÉTICO.

Ley de Hall

El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall (V_H). Edwin Hall (1835 - 1938)

• El efecto Hall es la medición del voltaje transversal en un conductor cuando es puesto en un campo magnético.

Verificación del conocimiento 4

• El efecto Hall es utilizado para medir la CONDUCCIÓN eléctrica de diversos materiales.
• El VOLTAJE Hall es directamente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético, y es inversamente proporcional al número de portadores por unidad de VOLUMEN.
• Un campo ELECTROMAGNÉTICO variable en el tiempo solo penetra en un conductor hasta una profundidad del orden del espesor pelicular.

Verificación del conocimiento 5

• La CORRIENTE es la razón de cambio de la CARGA a través de una superficie.
• La fuerza magnética sobre una espira cerrada de corriente en un campo magnético externo es CERO.
• La fuerza MAGNÉTICA siempre es perpendicular al campo magnético.