Electromagnetismo y Principio de la Óptica

 La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos
relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas.
Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como
los rayos, la electricidad estática, la inducción
electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.
 La electricidad es una forma de energía tan versátil que
tiene un sin número de aplicaciones, por ejemplo:
transporte, climatización, iluminación y computación.
 El fenómeno de la electricidad ha sido estudiado desde la
antigüedad, pero su estudio científico sistemático no
comenzó hasta los siglos XVII y XVIII. A finales del siglo
XIX los ingenieros lograron aprovecharla para uso
residencial e industrial. La rápida expansión de la
tecnología eléctrica la convirtió en la columna vertebral
de la sociedad industrial moderna.

 La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos
y propiedades físicas:
 Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas
subatómicas, que determina su interacción
electromagnética. La materia eléctricamente
cargada produce y es influida por los campos
electromagnéticos.
 Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de
partículas cargadas eléctricamente; se mide en
amperios.
 Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un
campo eléctrico de realizar trabajo; se mide en
voltios.

 Campo eléctrico: El campo
eléctrico se define como la fuerza
eléctrica por unidad de carga. La
dirección del campo se toma como
la dirección de la fuerza que
ejercería sobre una carga positiva
de prueba.
 Campo Magnético: Un campo
magnético es un campo de fuerza
creado como consecuencia del
movimiento de cargas eléctricas
(flujo de la electricidad). La fuerza
(intensidad o corriente) de un
campo magnético se mide en Gauss
(G) o Tesla (T). El flujo decrece
con la distancia a la fuente que
provoca el campo.

En ingeniería eléctrica, la electricidad se usa
para generar:
 Luz mediante lámparas
 Calor, aprovechando el efecto Joule
 Movimiento, mediante motores que transforman la
energía eléctrica en energía mecánica
 Señales mediante sistemas electrónicos, compuestos de
circuitos eléctricos que incluyen componentes activos
(tubos de vacío, transistores, diodos y circuitos
integrados) y componentes pasivos como resistores,
inductores y condensadores.
El fenómeno de la electricidad ha sido estudiado desde la antigüedad,
pero su estudio científico sistemático no comenzó hasta los siglos XVII
y XVIII. A finales del siglo XIX los ingenieros lograron aprovecharla para
uso residencial e industrial. La rápida expansión de la tecnología
eléctrica la convirtió en la columna vertebral de la sociedad industrial
moderna.

 Las corrientes producen campos magnéticos, ley de
Ampere.
 Fuerza de Lorentz los imanes producen fuerza sobre los
conductores por los que circula corriente.
La ley de ampere establece la
relación existente entre la
electricidad y el magnetismo. Un
campo magnético produce una
fuerza sobre un conductor por el que
circula una corriente.
Si ponemos un conductor por el cual
circule corriente en un lugar donde
exista un campo magnético
aparecerá una fuerza que empuja al
conductor en dirección
perpendicular al campo y a la
corriente, es la fuerza de Lorentz.

 Desde el siglo VI a. C. ya se conocía que el óxido ferroso-
férrico, al que los antiguos llamaron magnetita, poseía la
propiedad de atraer partículas de hierro. Hoy en día la
magnetita se conoce como imán natural y a la propiedad
que tiene de atraer los metales se le denomina
“magnetismo”.
 Como todos sabemos, la Tierra constituye un gigantesco
imán natural; por tanto, la magnetita o cualquier otro
tipo de imán o elemento magnético que gire libremente
sobre un plano paralelo a su superficie, tal como lo hace
una brújula, apuntará siempre al polo norte magnético.

 El magnetismo es producido por imanes naturales o
artificiales. Además de su capacidad de atraer metales,
tienen la propiedad de polaridad. La tierra se comporta
como un gigantesco imán, esto es debido entre otras
cosas, a su núcleo de hierro que produce el campo
magnético. En la superficie de la tierra, un imán se
orienta en la dirección del campo magnético de la tierra,
el polo norte del imán apunta el polo norte terrestre.
 ¿Qué es un imán?
 Produce campo magnético a su alrededor
 Tiene dos polos norte y sur
 Puede adoptar distintas formas

 Un imán es un material capaz de producir un campo
magnético exterior y atraer el hierro (también puede
atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan
sus propiedades de forma permanente pueden ser
naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales,
obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales.
Podemos decir que un imán permanente es aquel que
conserva el magnetismo después de haber sido imantado.
Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber
sido imantado.
 Cualquier tipo de imán, ya sea natural o artificial, posee
dos polos perfectamente diferenciados: uno denominado
polo norte y el otro denominado polo sur.

 Una de las características principales que distingue a los
imanes es la fuerza de atracción o repulsión que ejercen
sobre otros metales las líneas magnéticas que se forman
entre sus polos.
 Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro,
éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros
pedazos de hierro.
 Se denomina campo magnético a la región del espacio
en la que se manifiesta la acción de un imán.

 Si agarramos un alambre de cobre o conductor de cobre,
ya sea con forro aislante o sin éste, y lo movemos de un
lado a otro entre los polos diferentes de dos imanes, de
forma tal que atraviese y corte sus líneas de fuerza
magnéticas, en dicho alambre se generará por inducción
una pequeña fuerza electromotriz (FEM), que es posible
medir con un galvanómetro, instrumento semejante a un
voltímetro, que se utiliza para detectar pequeñas
tensiones o voltajes.

 Este fenómeno físico, conocido como "inducción
magnética" se origina cuando el conductor corta las
líneas de fuerza magnéticas del imán, lo que provoca que
las cargas eléctricas contenidas en el metal del alambre
de cobre (que hasta ese momento se encontraban en
reposo), se pongan en movimiento creando un flujo de
corriente eléctrica.
 En esa propiedad de inducir corriente eléctrica cuando se
mueve un conductor dentro de un campo magnético, se
basa el principio de funcionamiento de los generadores
de corriente eléctrica.

 Ahora bien, si en vez de moverlo colocáramos el mismo
conductor de cobre dentro del campo magnético de los
dos imanes y aplicamos una diferencia de potencial,
tensión o voltaje en sus extremos, como una batería, por
ejemplo, el campo magnético que produce la corriente
eléctrica alrededor del conductor al circular a través del
mismo, provocará que las líneas de fuerza o campo
magnético de los imanes lo rechacen. De esa forma el
conductor se moverá hacia un lado o hacia otro, en
dependencia del sentido de circulación que tenga la
corriente, provocando que rechace el campo magnético y
trate de alejarse de su influencia.

 En la actualidad se fabrican imanes permanentes
artificiales, para su empleo, por ejemplo, en la
fabricación de altavoces para equipos de audio, dinamos
para el alumbrado en las bicicletas, pequeños motores
para uso en juguetes o en equipos electrónicos, en la
junta hermética de la puerta de los frigoríficos y, por
supuesto, en la fabricación de brújulas.

 Los primeros experimentos en los cuales se puso de
manifiesto que la corriente eléctrica produce un
campo magnético los realizo Oersted en 1819. En
estos experimentos descubrió que si colocamos una
brújula cerca de un conductor por el cual circula
una corriente eléctrica, la aguja de la brújula se
desvía en una dirección y si invertimos la corriente
la aguja se desvía en dirección contraria. Más tarde
repitió el experimento una gran cantidad de veces,
confirmando el fenómeno. Por primera vez se había
hallado una conexión entre la electricidad y el
magnetismo, en un accidente que puede
considerarse como el nacimiento del
electromagnetismo.

 Del experimento de Oersted se deduce que ; Una carga
en movimiento crea un campo magnético en el espacio
que lo rodea.
 Una corriente eléctrica que circula por un conductor
genera a su alrededor un campo magnético cuya
intensidad depende de la intensidad de la corriente
eléctrica y de la distancia del conductor.
 Esta interacción entre la corriente eléctrica y al campo
magnético es la base del funcionamiento de gran mayoría
de la maquinas eléctricas y es el principio mas utilizado
para producir movimiento a partir de la electricidad.

 Se denomina electromagnetismo a la teoría física que
unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola
teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero
fueron formulados por primera vez de modo completo
por Maxwell. La formulación consiste en cuatro
ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como
ecuaciones de Maxwell, que relacionan el campo
eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes
materiales: densidad de carga eléctrica, corriente
eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de
desplazamiento.

 La mayoría de los cuerpos existentes en la naturaleza
presentan una estructura molecular en la que reina el
más absoluto desorden y no se pueden magnetizar. Sin
embargo existen también algunos metales en los que sus
átomos pueden actuar esporádicamente como imanes
elementales, alineándose como tales si se someten a la
influencia de un campo magnético. Cuando eso ocurre se
magnetizan, convirtiéndose en un imán temporal, o en
un imán permanente.

 Los metales que se magnetizan con facilidad reciben el
nombre de “paramagnéticos” y los que no se magnetizan
o son difíciles de magnetizar se denominan
“diamagnéticos”.
 Entre los “paramagnéticos” los metales más fáciles de
magnetizar se denominan “ferromagnéticos”, debido a
que fue en el hierro (ferro) el metal en el que se detectó
por primera vez esa propiedad. Pero además del hierro se
consideran también ferromagnéticos otros metales como
el níquel, el cobalto y algunos compuestos especiales.

 La fuerza magnética de un electroimán se puede
incrementar de varias formas, como por ejemplo: a)
añadiendo más espiras de alambre enrollado alrededor
del núcleo metálico; b) incrementando el flujo de
corriente; c) elevando la tensión o voltaje aplicado al
propio enrollado.

 Los electroimanes pueden ser de diferentes tamaños y
formas según el uso al que se destinen. Los más pequeños
se emplean, por ejemplo, para construir timbres de aviso
o alarma, relés para diferentes funciones, interruptores
automáticos de corriente, altavoces, cabezales de
grabadoras de audio y vídeo, cabezales de lectura-
escritura de disquetes, etc. Los de mayor tamaño se
emplean en grúas para levantar metales o chatarra.

 Relé: Es un dispositivo electromecánico. Funciona
como un interruptor controlado por un circuito
eléctrico en el que, por medio de una bobina y un
electroimán, se acciona un juego de uno o varios
contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos
eléctricos independientes.
 Fue inventado por Joseph Henry en 1835.
 Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de
salida de mayor potencia que el de entrada, puede
considerarse, como un amplificador eléctrico.

 Alternador: Es una máquina eléctrica, capaz de
transformar energía mecánica en energía eléctrica,
generando una corriente alterna mediante inducción
electromagnética.
 Los alternadores están fundados en el principio de que en
un conductor sometido a un campo magnético variable se
crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad
depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo
atraviesa.
 Un alternador es un generador de corriente alterna.
Funciona cambiando constantemente la polaridad para
que haya movimiento y genere energía.

 Dinamo y motor de corriente continua.
 Una dinamo es un generador eléctrico destinado a la
transformación de flujo magnético en electricidad
mediante el fenómeno de la inducción electromagnética,
generando una corriente continua.
 Una dinamo consta de un imán que gira en el interior de
un núcleo de hierro dulce, que tiene arrollada una
bobina. Una dinamo produce corriente continua

 Transformador: Es un dispositivo eléctrico que permite
aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico
de corriente alterna, manteniendo la potencia. La
potencia que ingresa al equipo, en el caso de un
transformador ideal, es igual a la que se obtiene a la
salida. Las máquinas reales presentan un pequeño
porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño,
tamaño...
 Está constituido por dos o más bobinas de material
conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo
general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de
material ferromagnético. La única conexión entre las
bobinas la constituye el flujo magnético común que se
establece en el núcleo.

 El electromagnetismo encuentra también aplicación en
los transformadores de corriente eléctrica para elevar o
disminuir la tensión o voltaje que requieren diferentes
los dispositivos eléctricos que empleamos diariamente,
tanto en los centros de trabajo como en el hogar.

 La luz se compone de ondas, llamadas ondas
electromagnéticas. Todas estas ondas son invisibles para
el ser humano y estas ondas juntas forman el espectro
electromagnético. Las ondas electromagnéticas pueden
utilizarse de formas diferentes.

 La onda electromagnética se podía propagar en el vacío
debido a la generación mutua de los campos magnéticos
y eléctricos. Esta onda a pesar de tener una velocidad
constante, la velocidad de la luz c, puede tener diferente
longitud de onda y consecuentemente dicha onda
transporta energía. La radiación electromagnética recibe
diferentes nombres al variar su longitud de onda, como
rayos gamma, rayos X, espectro visible, etc.; pero en su
conjunto recibe el nombre de espectro electromagnético.

 La óptica es una disciplina científica derivada de
la física, encargada del estudio de la luz y sus distintos
fenómenos que son de gran interés para la física. Estos
fenómenos son de mucho interés porque los resultados de
muchos experimentos se manifiestan por medio del
sentido de la vista como fenómenos de colores.

 Entre los vestigios de las antiguas civilizaciones se han
hallado objetos que testimonian el interés por los
fenómenos ópticos. Por ejemplo, en las ruinas de
Nínive, antigua capital asiria, fue encontrada una
pieza de cristal de roca, pulida en forma de lente
convergente.
 En Creta se hallaron dos lentes que datan de 1200 a.
C. y que, según algún historiador fueron usadas como
lentes de aumento.

 Más antiguos aun, de entre los restos de tumbas
egipcias se han extraído trozos de espejos metálicos,
que probablemente no servían solo de adorno, sino
también para desviar la luz del sol. ¿Cómo se explica
uno de otra manera las hermosas decoraciones que
cubren los muros interiores de las tumbas
subterráneas, accesibles solo por estrechos
retorcidos túneles?. Porque resulta que no hay señal
alguna de que sus autores hallan utilizado fuego para
alumbrarse mientras pintaban.

 Es una disciplina que deriva de la óptica y trata el
estudio de los fenómenos ópticos que se describen
mas fácilmente con líneas rectas
y geometría plana. De entre los temas que trata
están los siguientes.
 Propagación rectilínea
 Velocidad finita
 Reflexión
 Refracción

 Es un modo de decir que "La luz viaja en líneas
rectas "El hecho de que los objetos puedan
producir sombras bien perfiladas, es una
demostración experimental de este principio.
Otro ejemplo es la formación de la imagen de
un objeto producida al pasar la luz a través de
una pequeña abertura.

Este tema es analizado a través de
la observación e interacción con respecto a la luz y los
fenómenos que presente, pero principalmente se
analizan sus comportamientos referentes a su
velocidad. Se ha esclarecido la errónea idea que se
tenía acerca de que la luz se propagaba con velocidad
infinita, Trata sobre la historia de las investigaciones
realizadas acerca de la velocidad de la luz a través de
los tiempos hasta la actualidad

 En este campo de estudio se analiza la forma del
fenómeno de cuando un rayo de luz refleja sobre
una superficie plana, la naturaleza de la luz
reflejada además de que describe estos fenómenos
en función de leyes sencillas y bien definidas. De
acuerdo al análisis de la reflexión se analiza
cualitativamente y cuantitativamente para un
mejor esclarecimiento de la misma.

 Angulo i = ángulo i"
 Una segunda parte de esta ley establece que el
rayo reflejado se encuentra ene l plano de
incidencia, el cual se define como el plano que
contiene el rayo incidente y la normal. En otras
palabras, el rayo incidente, la normal y el rayo
reflejado, están todos situados en el mismo plano.

Cuando en un espejo plano se ve un cuerpo, los rayos luminosos
que inciden sobre el cuerpo ser reflejan en la superficie del
espejo, siendo percibidos por nuestros ojos. Se forma una imagen
virtual que parece que se encuentra atrás del espejo

Los rayos luminosos paralelos
al eje principal que inciden
sobre un objeto cóncavo, al
reflejarse inciden sobre el
foco principal que se localiza
frente al espejo, formando
una imagen real e invertida.
Los rayos luminosos paralelos al
eje principal que inciden sobre
un espejo convexo, se dispersan
al reflejarse. Teóricamente se
unen en un foco principal.
Situado al otro lado del espejo

El estudio sobre este tema radica en el análisis sobre la
"Densidad óptica". La realización entre la velocidad de
la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio.
Son estos los principales temas que trata la óptica
geométrica que en pocas palabras analiza
la geometría de la luz en relación con la materia y los
diversos comportamientos en distintas figuras, los
fenómenos de reflexión y refracción, propagación de la
luz y la velocidad finita a través de la herramienta de
la investigación y mediante el método científico para
ser mas precisos con los resultados obtenidos.

• Una lente es una pieza curva de vidrio plástico o
cualquier otro material transparente que refracta la
luz de distintas formas.
• La función primaria de una lente es formar
imágenes de objetos reales. Aunque la mayoría de
las lentes especiales se construyen.

Hay dos buenas
razones para que
las lentes tengan
superficies
esféricas: Primero,
con esta figura,
forman imágenes
bastantes buenas y
segundo, la forma
esférica es la más
práctica para
mecanizar
superficies pulidas
lisas.

 Algunos de los aspectos de los
más notables de los
instrumentos ópticos, el ojo
humano. Un ojo es, en un
principio, una cámara
excepcionalmente fina, con un
sistema de lentes
perfeccionados de un lado y una
pantalla sensible o película
fotográfica llamada retina en el
otro.

 Cuando la luz de un objeto distante a traviesa el
sistema de lentes del ojo, es refractada y enfocada
sobre la retina, allí se forma una imagen real pero
invertida del objeto. El hecho más asombroso es que
mientras todas las imágenes retínales están
invertidas, como se muestra en la figura 330, sean
interpretadas como si estuvieran derechas.

 Acomodación es la capacidad de los ojos de
enfocar los objetos cercanos y distantes.
 En el ojo humano, el enfocado se consigue
cambiando la forma del cristalino. Eso se ejecuta
por un sistema muy complicado de ligamentos
y músculos. Debido a la tensión que existe entre
la capsula de la lente el cristalino, si está
completamente libre, tendera a tomar la forma
esférica. El borde de la lente está rodeada por el
musculo ciliar, que al contraerse, causa que la
lente se engruese. Esto reduce la distancia focal
de la lente, tendiendo a aplanarla. Bajo estas
condiciones la distancia focal aumenta
enfocando sobre la retina los objetos distantes.
Este es el proceso de acomodación.

 El ojo normal está más relajado cuando se
enfoca para rayos luminosos paralelos, o sea,
para objetos distantes. Pero para estudiar
objeto en detalle, debe acercarse al ojo, la
razón de esto es que cuando más cerca está el
objeto del ojo, mayor será la imagen formada
sobre la retina.

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