Teoría

electromagnética

para estudiantes de Ingeniería

NOTAS DE CLASE

Teoría

electromagnética

para estudiantes de Ingeniería

NOTAS DE CLASE

Libardo J. Ruz Ruz

Darío A. Castro Castro

Profesores Departamento de Física

Universidad del Norte

Prefacio

Estas notas son el fruto de las clases de Teoría Electromagnética, desarrolladas durante años con estudiantes de Ingeniería de la Universidad del Norte.

En estas notas se presenta el electromagnetismo de manera unificada y no, como usualmente se acostumbra, en capítulos separados, lo cual puede presentar cierta complejidad para el estudiante. Se quiere mostrar que la física es una descripción de lo que llamamos realidad, que el electromagnetismo se puede estudiar con base en observaciones directas que el estudiante puede captar fácilmente y que estas observaciones pueden formalizarse mediante el uso de las matemáticas.

No pretendemos que estos apuntes reemplacen los textos clásicos de teoría electromagnética, pero sí creemos que pueden contribuir al proceso de enseñanza del electromagnetismo.

Agradezco a los colegas que de una u otra forma nos impulsaron para seguir adelante con estas notas de clase. A los alumnos que hicieron observaciones valiosas y a todos aquellos que contribuyeron en su elaboración. Cualquier observación o corrección que puedan hacer favor comunicarse con los autores a los correos lruz@uninorte.edu.co. y dariocas@uninorte.edu.co.

Los autores

Mayo de 2012

Introducción

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Ambos fenómenos se describen en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados, entre otros investigadores, por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales (o integrales) vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como las ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos, es decir que las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos, y explica sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a grandes distancias respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los cuales es necesario usar la mecánica cuántica.

Históricamente, la electricidad y el magnetismo habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados como ciencias diferentes. Sin embargo, los descubrimientos de Oersted y luego de Ampère, al observar que la aguja de una brújula variaba su posición al pasar corriente a través de un conductor situado próximo a ella, demostraron que había alguna relación entre ambos. También los estudios de Faraday, en el mismo campo, sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno.

Gracias a la invención de la pila de limón se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor.

El electromagnetismo ha sido la base de la llamada Segunda Revolución Industrial, fundamentalmente en los aspectos de la conversión electromecánica de energía y en las comunicaciones. Actualmente las aplicaciones electromagnéticas dominan la tecnología moderna; la miniaturización y creciente velocidad de los circuitos electrónicos hacen cada vez más necesaria la modelación de estos fenómenos mediante la teoría de campos.

Se suele comenzar el estudio del electromagnetismo distinguiendo entre los conceptos de campo eléctrico y el campo magnético. Un campo eléctrico es producido por la presencia de cargas eléctricas, las cuales crean una fuerza eléctrica que es la responsable de la electricidad estática y dirige el flujo de carga eléctrica en un área determinada (corriente eléctrica).

El campo magnético también puede ser producido por el movimiento de cargas eléctricas o corriente eléctrica, las cuales crean la fuerza magnética (asociada con los imanes, por ejemplo).

El término “electromagnetismo” proviene de la imposibilidad de estudiar los campos eléctricos y magnéticos por separado. Un campo magnético variable produce un campo eléctrico (como ocurre en el fenómeno de inducción electromagnética, el cual es la base para el funcionamiento de generadores eléctricos, motores de inducción eléctrica y transformadores). Similarmente, un campo eléctrico variable genera un campo magnético. Debido a esta dependencia mutua de los campos eléctricos y magnéticos, es apropiado considerarlos como uno solo: el campo electromagnético. Esta unificación, completada por Maxwell, fue uno de los triunfos de los físicos del siglo XIX. Estos estudios trajeron consecuencias sumamente importantes, siendo una de ellas la explicación de la naturaleza de la luz.

Como se ha ido descubriendo, lo que se percibe como “luz visible” es realmente una propagación oscilatoria en el campo electromagnético, es decir, una onda electromagnética. Diferentes frecuencias de oscilación dan lugar a las diferentes formas de radiación electromagnética, desde las ondas de radio, de frecuencias bajas, la luz visible, de frecuencias intermedias, hasta los rayos gamma, de frecuencias más altas.

Las implicaciones teóricas del electromagnetismo llevaron a Albert Einstein a publicar la teoría de la relatividad especial en 1905.