Este documento presenta una introducción a la teoría electromagnética y la electrostática. Resume la historia del desarrollo de la teoría electromagnética desde la antigua Grecia hasta los descubrimientos modernos de Maxwell, Hertz, Roentgen y Tesla. Explica conceptos clave como el campo eléctrico, la ley de Coulomb, las cargas eléctricas y los dipolos eléctricos. También introduce las unidades y notación del Sistema Internacional para expresar cantidades electromagnéticas.

1. TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICA
Jorge Patricio Muñoz Vizhñay
Ing. Eléctrico, MSc. , MBA
FACULTAD DE ENERGÍA, LAS
INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS
NATURALES NO RENOVABLES
CARRERA DE
INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA

2. La historia de la teoría electromagnética se divide en dos eras:
1. La era clásica se descubrieron y formularon las leyes fundamentales de la
electricidad y el magnetismo.
2. La era moderna que comprende los 100 últimos años y que se caracteriza por
la introducción de una amplia variedad de aplicaciones de la ingeniería,
anunció el nacimiento del campo de la teoría electromagnética aplicada.
1. Introducción

3. • Hace 2800 años, los griegos, detectaron la fuerza de atracción de la magnetita.
• Un griego, Tales de Mileto, escribió por primera vez sobre la electricidad
estática.
• En 1600, apareció escrito el término eléctrico en un tratado sobre la fuerza
(eléctrica) generada por fricción, escrito por el médico William Gilbert.
• En 1733, Charles-François du Fay introdujo el concepto de que la electricidad
consiste en dos tipos de “fluidos”, uno positivo y otro negativo.
• La invención del capacitor en 1745, originalmente llamado jarra de Leyden,
hizo posible almacenar cantidades significativas de carga eléctrica en un solo
dispositivo.
• En 1752, Benjamin Franklin demostró que los relámpagos son una forma de
electricidad. Transfirió carga eléctrica desde una nube hasta una jarra de
Leyden a través de una cometa de seda que hizo volar durante una tormenta.
• El conocimiento colectivo del siglo XVIII sobre la electricidad fue integrado en
1785 por Charles Agustín de Coulomb a través de una formulación matemática.
1. Introducción

4. • El año de 1800 es notable por el desarrollo de la primera batería eléctrica, por
parte de Alessandro Volta.
• En 1820 se produjo el descubrimiento sobre cómo el magnetismo es inducido
por corrientes eléctricas. Joseph Henry aprovechó este conocimiento al
desarrollar uno de los primeros diseños de electroimanes y motores eléctricos.
• Michael Faraday construyó el primer generador eléctrico (el inverso del motor
eléctrico).
• Faraday, en esencia, demostró que un campo magnético cambiante induce un
campo eléctrico (y, por ende, un voltaje).
• En 1873 James Clerk Maxwell propuso la relación inversa es decir, la idea de
que un campo eléctrico cambiante induce un campo magnético. La teoría de
Maxwell, que pronosticó varias propiedades de las ondas electromagnéticas,
no fue aceptada por la comunidad científica, sino hasta que Heinrich Hertz, en
los años 1880, verificó experimentalmente tales propiedades con las ondas de
radio.
• En 1895, Wilhelm Roentgen descubrió los rayos X, otro miembro de la familia
electromagnética.
1. Introducción

5. • Nikola Tesla fue en el primero en desarrollar el motor de CA, considerado un
avance importante sobre su predecesor, el motor de CD.
• En 1897 se identificó la partícula fundamental de la carga eléctrica, el electrón,
y se cuantificaron sus propiedades; el responsable fue J. J. Thomson.
• La capacidad de un material para emitir electrones dirigiendo energía
electromagnética, tal como luz, sobre él se conoce como efecto fotoeléctrico.
• Albert Einstein adoptó el concepto cuanto de energía, que había propuesto
unos años antes (1900) Max Planck en su formulación de la teoría cuántica de
la materia. Einstein tendió el puente entre las eras clásica y moderna de la
teoría electromagnética.
1. Introducción

6. 2. Dimensiones, unidades y notación
El Sistema Internacional de Unidades (SI), es el sistema estándar utilizado en la
literatura científica actual para expresar las unidades de cantidades físicas.
.

7. 3. Prefijos para múltiplos y submúltiplos
Para cantidades cuyo valor oscila entre 10-18 y 10+18, un conjunto de prefijos,
dispuestos en incrementos de 103, se utilizan comúnmente para denotar múltiplos
y submúltiplos de unidades.

8. 4. La naturaleza del electromagnetismo
El universo físico está regido por cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza:
• La fuerza nuclear, la más fuerte de las cuatro, pero su rango está limitado a
sistemas submicroscópicos, tales como núcleos.
• La fuerza de interacción débil, cuya intensidad es de sólo 10-14 en comparación
con la de la fuerza nuclear. Su función principal se encuentra en interacciones
que implican ciertas partículas elementales radiactivas.
• La fuerza electromagnética, que existe entre todas las partículas cargadas. Es la
fuerza dominante en sistemas microscópicos, tales como átomos y moléculas;
su intensidad es del orden de 10-2 en comparación con la de la fuerza nuclear.
• La fuerza gravitacional, la más débil de las cuatro fuerzas, cuya intensidad es
del orden de 10-41 en comparación con la de la fuerza nuclear. Es la fuerza
dominante en sistemas macroscópicos, tales como el sistema solar.

9. 4. La fuerza gravitacional
De acuerdo con la ley de Newton de la gravedad, la fuerza gravitacional Fg21, que
actúa sobre la masa m2 y que proviene de la masa m1, localizadas a una distancia
R12 entre m1 e m2.
donde G es la constante de gravitación universal, Ȓ12 es un vector unitario que
apunta de m1 a m2 y la unidad de fuerza es el newton (N).

10. 5. El campo gravitacional
Un objeto de masa m1 induce un campo gravitacional ψ1 que no emana
físicamente del objeto, pero su influencia se siente en todo punto del espacio, de
tal forma que si existiera otro objeto de masa m2 a una distancia R12 del objeto m1,
entonces el segundo objeto m2 experimentaría una fuerza que actuaría sobre él.
A una distancia R de m1, el campo ψ1 es un vector definido como

11. 6. Campos eléctricos
Toda la materia contiene una mezcla de neutrones, protones positivamente
cargados y electrones negativamente cargados, y la cantidad de carga fundamental
es la de un solo electrón, denotada en general por la letra e.
La unidad con la cual se mide la carga eléctrica es el coulomb (C).
La magnitud de e es:
La carga de un electrón es qe= -e y de la de un protón es de igual magnitud pero de
polaridad opuesta: qe= -e.

12. 6. Campos eléctricos
1. Dos cargas iguales se repelen entre sí, mientras que dos cargas de polaridad
opuesta se atraen,
2. La fuerza actúa a lo largo de la línea que une las cargas, y
3. Su intensidad es proporcional al producto de las magnitudes de las dos cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

13. 6. Campos eléctricos
Estas propiedades constituyen lo que actualmente se conoce como ley de
Coulomb, que se expresa matemáticamente mediante la siguiente ecuación:
donde Fe21 es la fuerza eléctrica que actúa en la carga q2 producida por la carga q1,
R12 es la distancia entre las dos cargas, Ȓ12 es un vector unitario que apunta de la
carga q1 a la carga q2 y ε0 es una constante universal permitividad eléctrica del
espacio libre (ε0 = 8,854 x 10-12 F/m).

14. 6. Campos eléctricos
Se define la intensidad de campo eléctrico E ocasionada por cualquier carga q
como sigue:
donde R es la distancia entre la carga y el punto de observación, y Ȓ es el vector
unitario radial que se aleja de la carga.

15. 6. Campos eléctricos
Al colocar una carga puntual q en el material (figura), los átomos experimentan
fuerzas que los distorsionan.
El centro de simetría de la nube de electrones se altera con respecto al núcleo, con
un polo del átomo cargado positivamente y el otro polo cargado negativamente.
El átomo polarizado se llama dipolo eléctrico y el proceso de distorsión se llama
polarización.
El grado de polarización depende de la distancia entre el átomo y la carga puntual
aislada, y la orientación del dipolo es tal que el eje de éste que conecta sus dos
polos está dirigido hacia la carga puntual, como se ilustra en la figura.

16. 6. Campos eléctricos
Las líneas de campo o bien nacen en las cargas positivas y mueren en las cargas
negativas, o bien nacen en las cargas positivas y van al infinito, o bien vienen del
infinito y mueren en las cargas negativas (cargas positivas: fuentes de campo;
Cargas negativas: sumideros de campo).

17. 6. Campos eléctricos
Conductores: materiales cuyas cargas, por lo general electrones, tienen libertad
para moverse a través de todo el material (cobre, hierro, plata, etc.)
Aislantes: materiales cuyas cargas no se pueden mover libremente (vidrio, madera,
porcelana, etc.)
Carga por inducción: Un objeto donde aparecen por separado cargas iguales y de
signos contrarios se dice polarizado.
Inducción a través de tierra: usando la tierra como un
conductor “infinitamente” grande.
¿Qué sucede con la
distribución de cargas en las
esferas una vez que la barra
cargada se aleja?

18. 6. Campos eléctricos

19. 6. Campos eléctricos