INTRODUCCIÓN

• Acción a distancia: La teoría newtoniana establecía que los cuerpos (con masa gravitatoria) están formados por corpúsculos que actúan a distancia unos sobre otros instantáneamente. La intensidad de la interacción depende del inverso del cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Esta visión del mundo es la de la mecánica clásica. La teoría newtoniana se mostró sorprendentemente superior, en cuanto a su capacidad para predecir nuevos resultados, a cualquier otra teoría precedente en la historia del pensamiento humano. Sin embargo, esta teoría no explicaba todos los fenómenos conocidos: por ejemplo, nada decía sobre otros fenómenos de acción de un cuerpo sobre otro como ser la cohesión, las fuerzas eléctricas o magnéticas, o las reacciones químicas.
• Los campos: El concepto de campo surge como un intento de explicación de los fenómenos electromagnéticos. Faraday inició un abordaje teórico de cuestiones empíricas del electromagnetismo basado en el concepto de campo y rechazando la idea de acción a distancia. Así, las teorías de campos comparten la idea de que la acción de un cuerpo sobre otro que se encuentra a cierta distancia ocurre vía algún medio como sustrato de la interacción.
• Coexistencia de ambas teorías: Las teorías de campos predecían que todas las acciones de un cuerpo sobre otro requerían de un cierto tiempo, mientras que las teorías de acción a distancia se basaban en que la acción era instantánea. Así, el tiempo de propagación de la acción de un cuerpo sobre otro fue, en este caso, una prueba sólida que utilizaron los defensores de las teorías de campos para sostener que los campos existen realmente en lugares donde no hay materia. La existencia de las ondas demostró que la propagación de los efectos eléctricos y magnéticos dura un cierto tiempo, tal como predecía la teoría de campos. Maxwell consolida la teoría de campos eléctricos y magnéticos propuesta por Faraday, expresándola en cuatro ecuaciones. Así, la propuesta de Maxwell es la primera teoría donde la idea de campo adquiere significación física y se funda en la afirmación de la existencia e interrelación entre campos eléctricos y magnéticos, para cuyas interacciones existe una velocidad límite de propagación, la velocidad de la luz. Por este motivo, el supuesto de una propagación instantánea, tal como lo proponían las teorías derivadas de la mecánica newtoniana, parecía no ser correcto.

El campo eléctrico es creado por un campo magnético variable independientemente de la existencia de un conductor y se crea un campo magnético por un campo eléctrico variable haya o no un polo magnético. La mecánica cuántica unifica la idea de campo y sus ondas y la de partícula todo en una, surge un nuevo punto de vista de la interacción electromagnética. Más aún, aparece un nuevo tipo de partícula que se suma a las conocidas hasta el momento, el fotón. Este nuevo punto de vista es la llamada electrodinámica cuántica. Esta teoría fundamental de la interacción de luz y materia o campo eléctrico y cargas, es uno de los mayores éxitos hasta ahora en la física. Esta teoría describe casi todos los fenómenos ordinarios, excepto la gravitación y los procesos nucleares.

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1. Carga eléctrica: La interacción eléctrica se puede dar en dos sentidos, atracción y repulsión. Esto significa que dos trozos de materia se comportarán distinto uno respecto del otro dependiendo de la carga que presente cada uno de ellos. En el caso de la interacción eléctrica, la atracción se dará entre dos cuerpos con carga opuesta y lo contrario (repulsión) sucederá para cuerpos con carga del mismo signo. Franklin experimentó con distintos materiales y postuló la existencia de un fluido o “flujo eléctrico” que se transmitía mediante la interacción de distintos objetos. Así explicó lo que sucedía cuando frotaba una barra de cera con una tela tejida de lana. Para Franklin esto se debía a que una cierta cantidad de fluido eléctrico se transmitía de la barra de cera a la lana, quedando esta última con un exceso de fluido. Esta desigualdad en la cantidad de fluido provocaba una atracción entre los dos objetos, como consecuencia de la necesidad de restaurar el balance. Sugirió llamar a estas dos clases de cargas negativa – cuando el fluido se encontraba en defecto – y positiva –cuando se encontraba en exceso –. Al realizar otros experimentos observó que si se enfrentaban dos objetos con exceso de fluido, se observaba una repulsión entre los mismos, e interpretó este resultado bajo la mirada que dos cuerpos en estas condiciones no podrían llegar un balance y por lo tanto se producía una repulsión entre los mismos. Lo mismo aplicaba a la situación de dos objetos con falta de fluido, se repelían entre sí. Los estudios sobre las interacciones entre cargas eléctricas llevan implícitos dos principios muy importantes: el principio de conservación de la carga y el de la unidad de carga.

   1. Ley de Coulomb (¿Qué tipo de fuerzas se da entre estas cargas?): Coulomb analiza la repulsión entre esferas electrificadas con igual tipo de carga eléctrica y encuentra que esta repulsión es proporcional al cuadrado de la distancia que separa a dichas esferas, también muestra que en caso de que las esferas presenten cargas opuestas se evidencia una ley de atracción que depende del cuadrado de la distancia entre las mismas. Los resultados que Coulomb encontró dieron cuenta de que: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a que las separa. La ley de Coulomb, describe solo la interacción de cargas puntuales. Cuando dos cargas ejercen fuerzas simultáneamente sobre una tercera carga, la fuerza total que actúa sobre esa carga es la suma vectorial de las fuerzas que las dos cargas ejercerían individualmente, esta propiedad se conoce como principio de superposición de fuerzas.

      

   2. Campo eléctrico y fuerza eléctrica: Definiremos como campo al espacio modificado por algo, donde algo es aquello que genera una perturbación en el espacio y el tiempo, ya sea una carga, una masa, una temperatura, etc. En función de la perturbación, podemos hallar campos escalares y campos vectoriales. Matemáticamente, podemos pensar que un campo escalar es una función que da un valor único de alguna variable para cada punto del espacio, mientras que un campo vectorial, es una función que asigna un vector a alguna variable para cada punto del espacio. Una carga eléctrica produce o causa un campo eléctrico, este campo tiene determinada magnitud en un punto dado del espacio, y si en ese punto se coloca alguna otra carga eléctrica puntual, ésta sentirá el campo generado por la carga anterior. Diremos que la segunda carga experimentará una fuerza eléctrica. Esta fuerza eléctrica puede ser descripta por la Ley de Coulomb y el campo eléctrico es el intermediario a través del cual una carga comunica su presencia a otra. Para averiguar si existe un campo eléctrico en un punto del espacio se utiliza la llamada carga de prueba (pequeña y positiva: tan pequeña que el campo que ella puede generar es despreciable frente al campo a testear, y positiva por convención). Si una carga de prueba experimenta una fuerza eléctrica en algún lugar del espacio, entonces allí existe un campo. La intensidad de campo en un punto se define como el cociente entre la fuerza que experimenta una carga de prueba en ese punto del espacio y el valor de dicha carga de prueba.

      

   3. Lineas de campo eléctrico: Es una recta o curva imaginaria trazada de manera tal que siempre sea tangente a la dirección del vector campo eléctrico en cada punto.

      1. La dirección de la linea de campo es tangente al campo en dicho punto
      2. NUNCA se cruzan
      3. El número de lineas por unidad de área es proporcional a la magnitud del campo eléctrico
      4. Las lineas de campo deben comenzar de una carga + y terminar en una carga -
      5. El numero de líneas que se originan en una carga + o terminan en una carga - debe ser proporcional a la magnitud de la carga.
      6. Para un campo complejo, muy cerca de una carga las líneas son radiales y esféricamente simétricas cerca de la carga en cuestión.
      7. Muy lejos del sistema de cargas, las líneas serán radiales a menos que la sumatoria de cargas sea cero
      8. Existen puntos nulos por los que no deben pasar líneas de campo, estos son los lugares en los que el valor del campo es cero.

   4. Dipolos eléctricos: Par de cargas puntuales de igual magnitud y signos opuestos separadas por una distancia fija y constante d. También es capaz de generar campo eléctrico, en cada punto del espacio, el campo total será la suma vectorial de los campos generados por cada una de las cargas individuales del dipolo. Si un dipolo eléctrico es colocado en un campo eléctrico externo y uniforme, el par de torsión de F+ y el par de torsión de F- tienen ambos la misma magnitud igual a (q.E) • (d/2) • senΦ, y de acuerdo al esquema, los dos pares de torsión tienden a hacer girar el dipolo en el sentido horario, entonces, la magnitud del par de torsión neto es el doble de la magnitud del par de torsión individual que actúa sobre cada una de las cargas.

      

   5. Conductores y dieléctrico: Los materiales que permiten que la carga eléctrica se mueva con facilidad en su interior, son conductores. Aquellos materiales que no permiten el movimiento de carga eléctrica con facilidad, son dieléctricos. Podemos decir que un material se comportará como un conductor si presenta cargas móviles, pero en cambio será un dieléctrico si sus cargas están fijas. El campo en el interior de un material conductor en una situación electrostática es siempre cero. Cuando un dieléctrico es colocado en un campo eléctrico, las cargas no fluyen a través de este material como lo harían a través de un conductor (esto es, un material con electrones libres como puede ser un cable de metal), sino que solamente sufren un pequeño desplazamiento de sus posiciones de equilibrio: polarización. Debido a esta polarización las cargas positivas y negativas del dieléctrico se orientan según el campo. Esto crea, a su vez, un campo eléctrico interno que compensa parcialmente el campo externo en la zona donde existe el dieléctrico. Hay dos tipos posibles de polarización de materiales dieléctricos según las características de este material: la iónica y la dipolar. La polarización iónica es un tipo de polarización causada por el desplazamiento relativo de iones positivos y negativos dentro del cristal iónico. La polarización dipolar es una polarización que se da particularmente en moléculas polares y tiene lugar en materiales que presentan dipolos permanentes, esto es, que aún en ausencia de campo eléctrico externo son dipolos. Ahora bien, cuando estos materiales están en presencia de un campo eléctrico externo, el dipolo se mantiene pero se reorienta.

2. Campo magnetico y fuerza magnetica: Campo magnético puede definirse como la forma en que se modifica el espacio por la presencia de un cuerpo con propiedades magnéticas. El campo magnético describe entonces la dirección e intensidad de la fuerza magnética que sentirá un cuerpo con propiedades magnéticas afectado por dicho campo, en cada punto del espacio. Para representar al campo magnético debemos considerar que:

• La dirección del vector campo magnético en un punto es tangente a las líneas de campo.

• El número de líneas por unidad de área es proporcional a la magnitud del campo magnético en una dada región

• Las líneas de campo no se cruzan

• Las líneas de campo siempre se cierran sobre sí mismas

  Si una partícula cargada se mueve en un campo magnético aparece sobre ésta  una fuerza magnética. Esta fuerza es proporcional a la magnitud de la carga afectada, a la velocidad que tenga esa partícula y a la magnitud del campo magnético en el que se mueva. La ecuación que describe las características de esta fuerza es:

  

  Dado que una carga puede moverse en un campo electromagnético la fuerza que sienta será el resultado de la afección de ambos campos, eléctrico y magnético sobre ella. Se llama Ley de Lorentz a esta expresión más completa que contempla los efectos de ambos campos E y B:

  

  1. Regla de la mano derecha: Predecir la dirección y sentido de la Fuerza Magnética o del Campo Magnético, según sea el sistema en estudio.

ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA

1. Espectrómetro de masa: Aplica fuerzas electromagnéticas a iones para separarlos según su cociente masa/carga.

Toda carga tiene asociada energía potencial eléctrica al encontrarse en un campo eléctrico. La energía potencial (eléctrica, gravitatoria, etc.) es entendida como la capacidad de un sistema de hacer trabajo proveniente de su configuración espacial. Con configuración espacial nos referimos a todos los elementos con masa o elementos con carga que dispuestos en el espacio den como resultado el campo que se ejerce sobre el objeto que estemos analizando. Si colocamos una carga en un campo ésta sentirá una fuerza y comenzará a moverse (se acelerará). Podemos decir que el campo ha realizado trabajo para mover a la carga. El trabajo será máximo cuando los vectores fuerza y desplazamiento infinitesimal sean paralelos y mínimo cuando sean perpendiculares. Este trabajo, por provenir de una fuerza conservativa, se puede expresar en términos de energía potencial eléctrica, y esta energía dependerá de la posición de la carga en el campo eléctrico. Cuando lo haga la carga pasará de un estado de una determinada energía potencial eléctrica a un estado con menor energía potencial eléctrica, ya que el movimiento es espontáneo y por acción del campo eléctrico que ha ejercido sobre ella una fuerza.

Energía potencial eléctrica: trabajo realizado por el campo eléctrico sobre una carga que se mueve en dicho campo.

Para mover la partícula con carga habrá que ejercer una fuerza externa igual y opuesta a la fuerza del campo eléctrico y realizar trabajo positivo. Entonces, podemos también definir a la energía potencial, Ua-Ub, como el trabajo que debe realizar una fuerza externa para mover una carga desde b hasta a contra la fuerza eléctrica. Como la fuerza externa es siempre contraria a la fuerza eléctrica y el desplazamiento también ocurre en la dirección contraria, la definición de energía potencial eléctrica es equivalente en ambos casos.

1. Potencial eléctrico: Energía potencial gravitatoria por unidad de carga. El potencial Vab, esto es, el potencial en el punto a con respecto al potencial en el punto b, es igual al trabajo realizado por la fuerza eléctrica cuando una unidad de carga se mueve de a a b. Si una carga es positiva, V es positivo en cualquier punto del espacio ubicado a una distancia finita de dicha carga. Si nos movemos alejándonos de la carga positiva en cuestión, esto es, en la dirección del campo, nos estaremos moviendo hacia valores menores de potencial. Es decir, cerca de la carga, V es grande y disminuye hacia donde apunta el campo. Las cargas positivas tienen a “caer” desde altos potenciales a bajos potenciales, pero lo contrario sucederá para una carga negativa.
2. Superficies equipotenciales: Las superficies equipotenciales son una representación gráfica con respecto a los potenciales tan útil como las líneas de fuerza lo son para interpretar y “visualizar” los campos eléctricos. una superficie equipotencial es una superficie tridimensional en la que el potencial eléctrico no varía. El vector campo eléctrico es siempre perpendicular a la superficie equipotencial, de modo tal que la fuerza eléctrica sea perpendicular al desplazamiento. Puntos de campo cero significan que si allí se encuentra una carga esta no sentirá fuerza alguna y por lo tanto no se moverá. Sin embargo que el campo sea cero no implica que no se haya realizado trabajo para llevar la carga hasta allí, con lo cual el potencial no tiene por qué ser cero.

FLUJO