Neste tema estudiaremos a interacción electromagnética porque xoga un papel fundamental no comportamento da materia. Axuda a comprender mellor moitas cousas: unións entre átomos, forzas de rozamento, choques, e outras aplicacións que revolucionaron a nosa forma de vida e do mundo en que vivimos. Neste curso estudiaremos principalmente as forzas eléctricas e deixaremos para cursos máis avanzados o estudio dos imáns, interacción magnética e síntese electromagnética.
O curso anterior estudiamos que cando dúas cargas Q e q (puntuais) estan separadas unha distancia r e atópanse en repouso ou con velocidade pequena a súa interacción (eléctrica) pódese representar mediante unha forza (lei de Coulomb) que está dada pola ecuación
onde ke é unha constante que depende das unidades elixidas e do medio onde estean situadas as cargas (no baleiro e no SI ke = 9×109 / Nm2C-2).
Por mor de que hai dous tipos de carga eléctrica (+) e (-) a forza eléctrica pode ser de atracción (entre cargas do mesmo signo) ou de repulsión (entre cargas de signo diferente), por iso é moi importante insistir no seu carácter vectorial.
Tamén podemos ver, comparando as constantes ke e G, a intensidade relativa dambas as dúas interaccións: a eléctrica é moito máis intensa ke >>> G .
Entre 1785 e 1789 Coulomb, utilizando unha balanza de torsión de J. Michell e cos traballos de Aepinus, Gray, Priestley e outros, demostrou a variación inversa do cadrado da distancia coa forza, tanto para as atraccións como para as repulsións eléctricas e magnéticas. Daquela os físicos pensaron que este descubrimento demostraba que as forzas eléctricas e magnéticas eran da mesma natureza que a gravidade, operando ''a distancia'' a través do espacio vacío e seguindo a lei do cadrado da distancia. Actualmente o problema das interaccións a distancia resólvese co concepto físico de CAMPO, como unha realidade física, unha nova forma de existencia da materia, a través da cal propáganse as interaccións. Un estudio profundo dos campos gravitatorio e electromagnético sáese dos obxectivos deste curso. Aquí estudiaremos desde o punto de vista fenomenolóxico o concepto de campo eléctrico dicindo que é a rexión do espacio onde unha carga eléctrica está sometida a unha forza. Como se pode propagar unha acción a distancia?. Da definición dedúcese a necesidade dunha carga testemuña concreta, por convenio de signo positivo.
A intensidade (E) nun punto calquera do campo debe ser independente da carga q que poñamos alí, polo que E = F/q. O campo é un magnitude vectorial e non se debe confundir a dependencia do E coa súa definición operativa.
Podemos visualizar cualitativamente o campo mediante liñas de forza. Unha forma de ''ver'' o campo eléctrico é mediante as chamadas ''liñas de campo'' ou ''liñas de forza'', debuxadas de forma que o vector intensidade de campo sexa tanxente ou coincida con elas.
No século XIX houbo unha expansión acelerada nas industrias e no transporte polo emprego da máquina de vapor para obter enerxía, pero unha serie de problemas impedían un uso máis extenso. Os científicos e técnicos daquela época trataron de mover todos os mecanismos da máquina mediante outro procedemento distinto á combustión de grandes cantidades de carbón. As investigacións dirixíronse cara ao emprego da enerxía eléctrica. A máquina eléctrica pódese transportar facilmente ás casas e ás industrias mediante cables, e non produce fume de combustión.
Os conceptos de enerxía e traballo poden axudarnos no estudio das manifestacións enerxéticas da interacción eléctrica. Concretamente temos que estudiar o traballo feito cando se desprazan as cargas eléctricas e as variacións de enerxía que se producen, o cal axudará tamén a comprender mellor a producción de corrente eléctrica e as súas aplicacións.
Se temos unha carga Q fixa nun punto do espacio .. que ocorre cando lle achegamos outra carga q do mesmo signo? Que ocorre se deixamos en liberdade a carga q? Como poderiamos aumentar a enerxía potencial dambas as dúas as dúas cargas eléctricas? Que pasa se as dúas cargas son de signo diferente?.
Debemos comprender que todo sistema de cargas posúe un valor de enerxía potencial eléctrica debido á existencia do campo eléctrico, ás forzas de interacción, e tende a evolucionar espontaneamente adquirindo enerxía cinética a costa da potencial. Para achegar cargas do mesmo signo ou separar as de signo contrario é necesario un traballo contra as forzas eléctricas, o cal produce un aumento da enerxía potencial. O traballo feito polas forzas do campo debe ser igual á diminución da enerxía potencial (Welec = -ΔEPelec) e como o traballo supón unha variación de enerxía podemos escoller calquera posición coma orixe de enerxías potenciais (o criterio máis común é escoller enerxía potencial cero para unha separación infinita, onde a interacción é nula, EPelc,∞ = 0).
É importante definir unha magnitude que mida a enerxía potencial nun punto e que non dependa da carga que situemos alí. Analogamente ao que fixemos entre F e E, V = EPelc/q. Dicimos que nun punto hai un potencial de 1 Volt cando ao levar alí desde o infinito unha carga de 1 C almacénase no sistema unha enerxía potencial de 1 Joule.
Como habería que calcular o traballo eléctrico feito cando, considerando as situacións plantexadas antes, a carga q cambia dun punto 1 (cun potencial V1) a outro punto 2 (cun potencial V2) máis lonxe de Q? .. como o traballo feito polas forzas do campo é Welc = -ΔEPelc = -q.ΔV, esta ecuación relaciona a diferencia de potencial e o traballo e é moi útil no estudio da corrente eléctrica.
A magnitude que mide a cantidade de corrente que atravesa a sección dun conductor é a intensidade, I. No SI as unidades son en ampers (A). O amper considérase unha unidade fundamental no SI, definido a partir dos efectos magnéticos da corrente.
Para estudiar como depende a intensidade de corrente da ddp débese representar unha gráfica I = f(ΔV) obtida a partir de medidas experimentais. Obteremos unha recta de pendente máis ou menos pronunciada, a inversa da cal é a resistencia, R, ao paso de corrente I = K.ΔV, onde R = 1/K ou Lei de Ohm
A resistencia R depende do material e da xeometría do conductor, R = ρ×ℓ/s. É importante deterse no concepto de resistividade e as súas unidades e sinalar que R é unha propiedade macroscópica do conductor, pero a resistividade (ρ) é unha propiedade microscópica que depende da estructura cistalina dos materiais, dos electróns libres por unidade de volume e da temperatura. O seu significado axuda a entender que hai materiais "bos conductores" e ''illantes'', que non hai ningún material conductor nin illante perfectos, pero si diferentes resistividades para unha temperatura dada. Actualmente investígase moito a ''superconductividade'' a baixas temperaturas.
Nos circuítos eléctricos hai, en xeral, varias resistencias asociadas e estamos interesados no problema de determinar o valor da resistencia equivalente en diferentes casos, polo que podemos empregar a Lei de Ohm a cada tramo mediante expresións do tipo ΔVad = ΔVab + ΔVbc +ΔVcd.
Cando a corrente pasa por un conductor hai unha liberación de calor chamada ''efecto Joule'' ou efecto térmico. Hai algunha aplicación deste efecto? Por que se produce? Pódese aumentar ou diminuír este efecto segundo queiramos?. Convén lembrar as ecuacións do traballo e potencia deducidas o ano anterior: substituir I ou ΔV a partir da lei de Ohm (só para conductores óhmicos). O efecto Joule pódese explicar sinxelamente polo choque dos electróns móbiles cos ións positivos (podemos variar os efectos modificando os factores dos que depende a resistencia).
Se hai unha ddp entre os estremos dun fío conductor circula corrente, pero .. ata cando circula? que fai falta para conseguir que a corrente sexa contínua a través do conductor?. No ano 1800 Volta construeu a primeira pila eléctrica, capaz de proporcionar unha cantidade constante de electricidade por procedementos químicos (xerador).
Tendo en conta o papel que xoga un xerador nun circuíto de corrente e como funciona .. que características debemos esixirlle para conectalo a un circuíto? .. segundo se produce o transporte das cargas os potenciais vanse igualando e en pouco tempo a corrente debería rematar. Os xeradores son dispositivos que manteñen unha ddp constante para que a corrente sexa contínua, capaz de realizar traballo contra as forzas do campo. Este traballo faise consumindo a enerxía liberada nunha reacción química (pila) ou na enerxía mecánica dunha dinamo. Calquera aparato que suministra enerxía eléctrica a un circuíto é un xerador.
Necesitamos saber canta enerxía ou canto traballo pode suministrar por unidade de carga un xerador -forza electromotriz ε, fem,- dicimos que ε = 1 Volt cando fai un traballo de 1 Joule para transportar 1 C de carga. Podemos relacionar sinxelamente ε coa potencia porque se ε = W/q, dividindo numerador e denominador por Δt → ε = Pot/I, ou
Como a través do xerador tamén circula corrente haberá no seu interior unha resistencia ao paso, chamada resistencia interna (ri); por iso parte da enerxía aportada non se transforma en enerxía eléctrica para o circuíto exterior, é consumida polo propio xerador (hai un quentamento das pilas e dinamos cando funcionan). As magnitudes que debemos coñecer do xerador son ε e ri.
Nos circuitos de corrente hai, normalmente, outros elementos que consumen enerxía como p.ex. motores eléctricos (transforman a enerxía eléctrica que reciben en mecánica, como se foran dinamos pero ao revés), celas electrolíticas (utilizan a enerxía eléctrica para producir reaccións químicas, como se foran pilas pero ao revés).
A comprensión enerxética do papel dun motor conduce sinxelamente a entender o concepto de forza electromotriz ou contraelectromotriz como a enerxía eléctrica que el motor transforma en mecánica por unidade de carga, ou a potencia eléctrica que transforma en mecánica por unidade de intensidade, tendo ambos os dous elementos resistencia interna que é necesario coñecer para determinar que parte da enerxía eléctrica que consumen non se transforma en mecánica.
Plantexaremos inmediatamente o estudio dun circuíto de corrente contínua onde hai todos os elementos estudiados, tratando de encontrar unha forma de relacionar as súas magnitudes características (Lei de Ohm xeralizada)