Introducción a la teoría electromagnética clase 1 TE

1. Clase 1
20/Enero/2015

2.  El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y
unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola
teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael
Faraday y formulados por primera vez de modo completo por
James Clerk Maxwell.

3.  La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales
vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo
magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente
eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética),
conocidas como ecuaciones de Maxwell.

4.  El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las
explicaciones y predicciones que provee se basan en
magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la
posición en el espacio y del tiempo.

5.  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 sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas
y gaseosas.

6.  Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un
número muy grande de partículas y a distancias grandes
respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no
describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es
necesario usar la mecánica cuántica.

7. CARGA ELÉCTRICA
 Hay dos tipos de carga en la naturaleza, llamadas positivas y
negativas, es decir con la propiedad de que cargas diferentes se
atraen unas y otras y cargas similares se rechazan entre sí.

8. CARGA ELÉCTRICA
 Por lo tanto propiedades fundamentales de la carga eléctrica
son:
 Cuantización. Todas las cargas observables se presentan en
cantidades enteras de la unidad fundamental de la carga e. Es
decir la carga esta cuantizada.
 La carga del electrón es –e y la del protón es +e
 e = 1.60x10-19 C

9. CARGA ELÉCTRICA
 Toda carga presente en la naturaleza puede escribirse en la
forma
 Siendo N un numero entero. Sin embargo, en objetos
ordinarios N es usualmente muy grande y la carga parece ser
continua, del mismo modo que el aire parece ser un medio
continuo y realmente consta de muchas moléculas discretas.
Q Ne 

10. CARGA ELÉCTRICA
 Por ejemplo, al cargar una barra de plástico frotándola con un
trozo de piel se transfiere del orden de 1010 electrones de la
barra.

11. CARGA ELÉCTRICA
 Conservación de la energía. La carga se conserva, es decir, en
cualquier proceso ni se crea ni se destruye; simplemente se
transfiere.
 Por lo tanto la unidad del SI de carga es el coulomb, el cual se
define en función de la unidad de la corriente o intensidad
eléctrica, el amper (A, es la unidad de corriente utilizada en los
circuitos eléctricos habituales)

12. CARGA ELÉCTRICA
 El coulomb (C) es la cantidad de carga que fluye a través de un
cable de un conductor en un segundo cuando la intensidad de
corriente en el mismo es de un Amper.
 La unidad fundamental de carga eléctrica e esta relacionada
con el coulomb por:
 e = 1.602177 x 10-19 C ≈ 1.60 x 10-19 C

13. CARGA ELÉCTRICA
 Existen tres procesos, para cargar un cuerpo:
 Por Frotamiento . Cuando la ebonita y la lana se ponen en
contacto por frotamiento, hay un paso espontaneo de
electrones de la lana a la ebonita esto adquiere por lo tanto, un
exceso de electrones y resulta cargada negativamente,
mientras que la lana que ha perdido electrones se carga
positivamente.

14. CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:

15. CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:

16. CARGA ELÉCTRICA
 Las características de este proceso son:
 Los cuerpos inicialmente se encuentran neutros (carga neta
nula).
 Hay transmisión de carga
 No hay creación de carga eléctrica
 La cantidad de carga es la misma en ambos cuerpos, pero de
signo opuesto, al final del proceso.

17. CARGA ELÉCTRICA
 Por contacto. En este caso uno de los cuerpos tiene que estar
cargado, ya se apositivo o negativo.
 Cuando los cuerpos se ponen en contacto, el cuerpo cargado
(inductor) atrae las cargas de signo opuesto y repele la de igual
signo. Al producirse el contacto instantáneo, las cargas
negativas pasan al inductor (si es positivo) y las cargas
positivas se repelen y quedan en exceso en el cuerpo que se
quiere cargar.

18. CARGA ELÉCTRICA
 Como se muestra en la siguiente figura:

19. CARGA ELÉCTRICA
 Como se muestra en la siguiente figura:

20. CARGA ELÉCTRICA
 Como se puede observar el cuerpo queda cargado, de igual
signo, que el inductor.
 Por inducción. En este caso es necesario que uno de los cuerpos
este cargado (inductor), al acercarse al cuerpo, se atrae las
cargas de signo opuesto y se repele las cargas de igual signo.

21. CARGA ELÉCTRICA
 A continuación, el cuerpo que se quiere cargar (inducido) se
coloca a tierra y las cargas negativas van a tierra, si el
inductor es negativo. Ascienden cargas negativas, si el
inductor tiene cargas de signo positivo. Al final el cuerpo se
carga de signo opuesto al inductor.

22. CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:

23. CARGA ELÉCTRICA
Como se muestra en la siguiente figura:

24. RESUMEN
 Carga Eléctrica
 La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la
materia.
 Propiedades de las cargas eléctricas
 Las cargas eléctricas pueden ser de dos tipos: positivas y
negativas.
 Las cargas distintas de signo distinto se atraen y las del
mismo signo se repelen.

25. RESUMEN
 Carga Eléctrica
 La carga esta cuantizada, es decir, existe en múltiplos enteros
de la carga del electrón.
 La carga eléctrica siempre se conserva en los sistemas.
  Carga electrica = número entero carga del electrón
q Ne

26. RESUMEN
 Carga Eléctrica
 La unidad de la carga eléctrica en el SI es el coulomb (C)
 La carga del electrón es de −1.6 × 10−19 𝐶

27. PROBLEMAS DE CARGA
ELÉCTRICA
 Problema 1
 Al frotar una barra de plástico con un paño de lana aquella
adquiere una carga de -0.8 µC. ¿Cuántos electrones se
transfieren del paño de la lana a la barra de plástico?

28. SOLUCIÓN
 La carga adquirida por la varilla de plástico es un número entero
de cargas , por lo tanto tenemos que 𝑞 = 𝑛 𝑒 (−𝑒)
 Relacionamos la carga adquirida por la varilla de plástico con el
número de electrones transferidos al paño de lana:
 eq n e 

29. SOLUCIÓN
 Por lo tanto evaluamos para 𝑛 𝑒:
12
19
0.8
5.00 10
1.6 10
e
q C
n
e C



   
  

30. PROBLEMAS DE CARGA
ELÉCTRICA
 Problema 2
 Una carga igual a la de un numero de Avogadro (𝑁𝐴 = 6.02 ×
1023) de protones se denomina un Faraday. Calcular el numero
de coulombs que hay en un faraday?

31. SOLUCIÓN
 Una 1 𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 = 𝑁𝐴 𝑒 . Podemos usar esta definición para
encontrar el número de coulombs en un Faraday. Por lo tanto
tenemos:
  23 19
4
1 6.02 10 1.6 10 /
1 9.63 10 96,320

   
   
A
A
faraday N e protones C protones
faraday N e C C

32.  Problema 3
 Calcule la carga neta en una sustancia que esta formada por:
a) 5 × 1013 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠
b) Una combinación de 4.3 × 1014
protones y 2.5 ×
1014electrones

33. SOLUCIÓN
 La carga neta en una partícula esta dada por
 
  
13
13 -19
carga
) 5 10 electrones
0 5 10 1.6 10 8
 
  
      
protones electrones protón
electrones
q N N
a N
q q uC
  
14 14
14 14 19
) 4.3 10 protones, 2.5 10 electrones
4.3 10 2.5 10 1.6 10
28.8

   
    

protones electronesb N N
q
q C

34.  Es conveniente clasificar las sustancias en términos de su
capacidad para conducir carga eléctrica:
 Los conductores eléctricos son materiales en que las cargas
eléctricas se mueven con bastante libertad, en tanto que los
aislantes eléctricos son materiales en los que las cargas
eléctricas no se mueven con tanta libertad.

35.  Los semiconductores son una tercera clase de materiales y sus
propiedades eléctricas se encuentran entre los aislante y la de
los conductores.
 El silicio y el germanio son ejemplos bien conocidos de
semiconductores utilizados comúnmente en la fabricación de
diversos dispositivos electrónicos tales como transistores y
diodos emisores de luz.

36.  Las propiedades eléctricas de los semiconductores pueden
cambiar en varios ordenes de magnitud añadiendo a los
materiales cantidades controladas de ciertos átomos.

37.  Cuando un conductor se conecta a la tierra por medio de un
alambre o tubo de conducción se dice que esta aterrizado. La
tierra puede considerarse entonces un sumidero infinito al cual
las cargas eléctricas pueden emigrar fácilmente. Con esto en
mente se puede entender de que manera se carga un conductor
por medio de un proceso conocido por inducción.