Leyes de Coulomb, Faraday y Lenz - electromagnetismo y sus fundamentos

Leyes de Coulomb, Faraday y Lenz - electromagnetismo y sus fundamentos

El siglo XIX es un período extremadamente interesante, que resultó en descubrimientos extraordinarios y una gran cantidad de inventos, sin los cuales no podemos imaginar el mundo actual. Destacados científicos polacos jugaron un papel muy importante en este proceso, entre otros, Ignacy Łukasiewicz, a quien se le atribuye la invención de la lámpara de queroseno o contribución a la extracción y procesamiento del petróleo, y Maria Curie Skłodowska, a quien debemos el descubrimiento de los primeros elementos radiactivos. El uso del vapor en aplicaciones industriales o incluso en el transporte supuso un salto tecnológico increíble. Se crea el primer ferrocarril a vapor y el transporte marítimo a vapor, así como los primeros motores eléctricos que revolucionaron todas las ramas conocidas de la industria manufacturera. Ciertamente, se podría escribir una serie de libros de varios volúmenes para cubrir todos los desarrollos del siglo XIX en profundidad, pero en este artículo nos centraremos en un descubrimiento en particular: el electromagnetismo.

Se considera que el padre del electromagnetismo es Hans Christian Ørsted, un físico y químico danés que es profesor en la Universidad de Copenhague. Él demostró experimentalmente la influencia de la corriente eléctrica que fluye en el cable sobre el movimiento de la aguja de la brújula, que fue la base del conocimiento actual sobre la interacción electromagnética. Como pronto resultó, el descubrimiento de la conexión entre la electricidad y el magnetismo contribuyó a uno de los mayores avances en la ciencia, y también inició una serie de inventos, que hoy en día son la base del funcionamiento diario. Estos son entre otros:

• Generadores y transformadores, es decir, los elementos básicos del proceso de generación y transmisión de energía eléctrica;
• Motores eléctricos;
• Radios, televisores y celulares, es decir, dispositivos que utilizan ondas electromagnéticas para la comunicación, transmisión de sonido e imagen;
• Avanzados equipos médicos, que permiten diagnosticar enfermedades y salvar vidas humanas en todo el mundo cada día;
• Todo tipo de emisores de luz o láser.

Los ejemplos citados anteriormente son, por supuesto, solo una fracción de los beneficios que aporta el conocimiento de las leyes de la interacción electromagnética. Por lo tanto, se puede decir con la conciencia tranquila que el descubrimiento del fenómeno discutido fue el comienzo del mundo de la tecnología tal como lo conocemos hoy.

Precursores del electromagnetismo y sus mayores descubrimientos

Ley de Coulomb

Para describir las relaciones más importantes relacionadas con el electromagnetismo hay que remontarse a finales del siglo XVIII, cuando un ingeniero francés Charles Coulomb a base de experimentos, formuló una de las leyes fundamentales de la física, nombrada en su honor. Definición de Ley de Coulomb:

"La fuerza entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa".

Ley de Coulomba - equiación

Dónde:

F - la fuerza de las cargas [N];

k - constante electrostática, según el medio en el que se encuentren las cargas;

q₁,q₂ - cargas eléctricas [C];

r - distancia entre cargas [m].

Teniendo en cuenta las cargas puntuales mencionadas en la fórmula anterior, estamos hablando de puntos teóricamente infinitamente pequeños – en relación a la distancia entre ellos- dotados de carga eléctrica. Así, con el aumento del tamaño de las cargas aumenta la fuerza de atracción o repulsión, mientras que al aumentar la distancia entre ellas se debilita la interacción mutua. Sin embargo, la fuerza de atracción nunca será cero. A pesar de la gran distancia entre las dos moléculas, la fuerza de Coulomb continúa interactuando con ellas.

En este punto, cabe añadir que la interacción entre dos o más cargas del mismo nombre difiere de la de cargas diferentes. En el caso de las primeras, existe un efecto de repulsión entre sí, mientras que las cargas diferentes, por el contrario, se atraerán entre sí. Como ya se mencionó, la constante electrostática cambia dependiendo del entorno de las cargas. Se describe mediante la siguiente fórmula matemática:

Dónde: ε_r - la permitividad relativa del medio en el que están presentes las cargas eléctricas;

ε₀ - permitividad eléctrica del vacío.

El coeficiente de permitividad del vacío es:

La permitividad relativa para medios comunes es:

• Vacío: ε_r=1;
• Aire: ε_r=1,00054;
• Agua: ε_r=81.

Ley de inducción electromagnética de Faraday

Otro hito en la teoría del electromagnetismo fue el descubrimiento del cambio del flujo del campo magnético. En 1831, un erudito inglés Michael Faraday describió los resultados de sus experimentos, por los que fue premiado muchas veces, y en honor a su memoria, el gran descubrimiento se denominó ley de inducción de Faraday:

La ley de la inducción electromagnética describe el fenómeno de la fuerza electromotriz en un circuito cerrado cuando la fuente del campo magnético y el circuito se mueven entre sí. La fuerza electromotriz inducida hace que fluya una corriente inductiva, que a su vez crea un campo magnético inducido.

Vale la pena señalar que los productos de inducción mencionados, es decir, la fuerza electromotriz, la corriente y el campo magnético, se producen solo cuando el imán se está moviendo. Detenerlo interrumpe el proceso de inducción. El autor de la teoría afirmó que la formación de la fuerza electromotriz está estrechamente relacionada con la tasa de cambio del flujo magnético.

Para transmitir los resultados de sus experimentos de la forma más simple posible, Faraday presentó un modelo matemático de inducción:

Ley Faradaya - ecuación

Dónde: ϕ_B – flujo de inducción magnética [Wb];

Esta fórmula trata con la tasa de cambio de la fem en el tiempo.

El signo menos al comienzo de la expresión indica la dirección del flujo de corriente debido a la fuerza electromotriz inducida (más adelante en el texto se proporcionará más información sobre cómo determinar la dirección del flujo de corriente).

¿Por qué fue tan importante el descubrimiento de Faraday y a qué condujo?

Bueno, la inducción de la fuerza electromotriz es la fuente de generación de electricidad en todo el mundo. Gracias a los conocimientos aportados por el físico inglés, funcionan generadores utilizados en centrales eléctricas de agua, carbón y gas, pero también en centrales nucleares o grandes aerogeneradores. Como puede adivinar fácilmente, el fenómeno de la inducción de la fuerza electromotriz es la base de la conocida tecnología basada en la corriente eléctrica.

La regla de la contrariedad o ley de Lenz

Volviendo al signo delante de la fórmula en la ley de inducción de Faraday, unos años más tarde, el profesor Heinrich Lenz de la Universidad de San Petersburgo introdujo una regla para determinar la dirección del flujo de corriente de inducción. La regla de Lenz también conocida como la regla de la contrariedad dice:

"La corriente inducida está en tal dirección que el flujo magnético autogenerado contrarresta los cambios originales en el flujo que lo causaron".

Este teorema debe interpretarse de tal manera que la dirección de la corriente inducida y del campo magnético depende estrictamente de la magnitud del flujo del campo magnético, que aumenta a medida que la fuente se acerca al circuito cerrado y disminuye a medida que se aleja del conductor. La situación es exactamente análoga en el caso de acercamiento y alejamiento del conductor con relación al emisor del campo magnético. Para el fenómeno mismo, por lo tanto, no importa cuál de los elementos se mueva, sólo el movimiento mismo es importante.

Tal efecto se puede observar fácilmente cuando uno de los polos del imán se acerca a un circuito eléctrico cerrado. De acuerdo con los fenómenos físicos descritos anteriormente, la corriente inductiva creará un campo magnético que actuará sobre el imán que se aproxima. Reducir la distancia entre el imán y el circuito generará cada vez más resistencia (repulsión). Si, por el contrario, empezamos a aumentar la distancia entre ellos, la dirección del flujo de corriente cambiará y el imán comenzará a ser atraído por el circuito eléctrico.

Fenómenos electromagnéticos más comunes de lo que pensamos

En conclusión, vale la pena enfatizar que la interacción electromagnética es algo natural, y sin ella, el funcionamiento incluso del cuerpo humano podría verse fuertemente perturbado. Asimismo, todo lo relacionado con el envío o recepción de señales TIC se basa en la existencia y uso de ondas electromagnéticas, tanto de radiocomunicaciones o señales de Internet, como de microondas generadas en cocinas o radiaciones enviadas por el omnipresente cableado de las instalaciones eléctricas. Por ello, las nuevas tecnologías provocan una avalancha de ondas electromagnéticas en nuestro entorno. Además de las artificiales, hechas por el hombre, existen interacciones electromagnéticas completamente naturales. Estos incluyen: el impacto de elementos radiactivos, ondas electromagnéticas provenientes del espacio o incluso la radiación de luz emitida por el Sol. Además, el propio planeta produce radiación electromagnética procedente del núcleo terrestre. Los científicos presentados en este artículo solo hicieron que este conocimiento dejara de ser un secreto para el hombre y permitieron un progreso tecnológico sin precedentes, y la fórmula de la ley de Coulomb, la ley de inducción de Faraday o la regla de Lenz se encontraron en los cimientos de los planes de estudios de física en todo el mundo.