viernes, 8 de febrero de 2008

campos electromagnéticos

Teoría Electromagnética.

Introducción

El electromagnetismo es un fenómeno físico que fue descubierto a finales del siglo XVIII y principios del XIX cuando se investigaba simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo.El estudio del magnetismo se remonta a la observación de que “piedras” que se encuentras en la naturaleza (esto es, magnetita) atraen al hierro. Es posible establecer que los fenómenos magnéticos se establecen cuando existen cargas en movimiento, a dicho movimiento se le conoce como corriente eléctrica y que debido a esta corriente se genera una fuerza que se denomina fuerza magnética. La existencia de la fuerza magnética se conoció al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita (Fe3 O4) atraen el hierro. (la palabra eléctrico proviene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra magnética viene del nombre de un distrito central al norte de Grecia donde se descubrió, Magnesia.
La teoría de la electricidad nació con la observación, sabido es que Tales de Mileto en el año 600 a.c. acercaba un pedazo de ámbar frotado a pedacitos de paja y estos eran atraidos. Cuando dos cargas eléctricas se encuentran en reposo, entre ellas existe una fuerza denominada electrostática. En 1600, William Gilbert descubre que la electrificación no estaba limitada al ambarsino que este era un fenómeno general. Así, científicos electrificaron una variedad de objetos, incluyendo gallinas y personas. Experimentos realizados por charles Coulomb en 1785 confirmaron la ley inversa del cuadrado para la electricidad. Hasta principios del siglo XIX los científicos establecieron que la electricidad y el magnetismo son, en efecto, fenómenos relacionados.

Estas dos teorías se desarrollaron independientemente una de la otra hasta 1820, cuando un científico llamado Hans Christian Oesrted (1777-1851) observó una relación ente ellas, a saber, que la corriente eléctrica de un alambre puede afectar a una aguja magnética de una brújula. Poco después se comprobó que todo fenómeno magnético era producido por corrientes eléctricas, es decir se lograba de manera definitiva, la unificación de magnetismo y la electricidad, originado la rama de la física que actualmente se conoce como electromagnetismo. En 1831, Michael Faraday, y simultáneamente, Joseph Heary, demuestran que, cuando un magneto o imán (o de manera equivalente, cuando el magneto se mueve cerca de un alambre), una corriente eléctrica se observa en el alambre. En 1873, James Clerk Maxwell usa estas observaciones y otros factores experimentales como base, y formula leyes del electromagnetismo que se conocen actualmente. (Electromagnetismo es el nombre dado a la combinación de los campos eléctrico y magnético.) Poco tiempo después (alrededor de 1888), Heinrich Hertz verifica las predicciones de Maxwell produciendo ondas electromagnéticas en el laboratorio. Esto fue seguido por desarrollos prácticos como la radio y la televisión.

Campo eléctrico
El campo eléctrico es una propiedad del espacio, debido a la cual una carga eléctrica puntual de valor "q" sufrirá los efectos de una fuerza "F" que vendrá dada por la siguiente ecuación:


Donde E es el mencionado campo eléctrico, que es, por tanto una magnitud vectorial. Esta definición indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la medición de la fuerza actuante sobre alguna carga. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Michael Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1831. La fuerza F es la fuerza de interacción eléctrica entre cargas descrita por Coulomb y que se enuncia como sigue:


"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."


Esta ley es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación, el movimiento se realiza a velocidades bajas y trayectorias rectilíneas uniformes. Se le llama a esta Fuerza Electrostática. La parte Electro proviene de que se trata de fuerzas eléctricas y estáticas debido a la ausencia de movimiento de las cargas.


La figura muestra las líneas de campo eléctrico para cargas de signo contrario que se encuentran individualmente separadas de otra carga infinitamente.






En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:


Dadas dos
cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud esta dada por:


donde k es una constante que solo depende del medio donde se encuentran las cargas.

(a)












(b)

La figura anterior muestra líneas de campo de cargas que se repelen (a) y cargas que se atraen (b)

Campo magnético.
Es más útil, imaginar que cada uno de los cuerpos cargados en movimiento modifica las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente está presente la carga q1 en algún punto del espacio. Se dice que la carga q1 crea un campo magnético en un punto P del espacio. Al poner una carga q2 de prueba en el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo magnético creado por la carga q1. Cada punto P del espacio que rodea a la carga q1 tiene una nueva propiedad, que se denomina campo magnético B que describiremos mediante una magnitud vectorial. La fuerza magnética se define para un conductor recto como


F = iLB

Donde i es la corriente que pasa por el conductor, L el largo del conductor y B el campo magnético supuesto constante.







Esta figura muestra las líneas de campo magnético generado por una corriente eléctrica en una línea infinita.
Origen de los campos eléctricos y magnéticos.
Campos eléctricos tienen su origen en diferencias de voltaje: entre más elevado sea el voltaje, más fuerte será el campo que resulta. Campos magnéticos tienen su origen en los corrientes eléctricos: un corriente más fuerte resulta en un campo más fuerte. Un campo eléctrico existe aun que no haya corriente. Cuando hay corriente, la magnitud del campo magnético cambiará con el consumo de poder, pero la fuerza del campo eléctrico quedará igual. (Información que proviene de Electromagnetic Fields, publicado por la Oficina Regional de la OMS para Europa (1999).

Fuentes naturales de campos electromagnéticos.
En el medio en que vivimos, hay campos electromagnéticos por todas partes, pero son invisibles para el ojo humano. Se producen campos eléctricos por la acumulación de cargas eléctricas en determinadas zonas de la atmósfera por efecto de las tormentas. El campo magnético terrestre provoca la orientación de las agujas de los compases en dirección Norte-Sur y los pájaros y los peces lo utilizan para orientarse.



Líneas de campo cerradas del campo magnético generado por una bobina.






Fuentes de campos electromagnéticos generadas por el hombre.
Además de las fuentes naturales, en el espectro electromagnético hay también fuentes generadas por el hombre: Para diagnosticar la rotura de un hueso por un accidente deportivo, se utilizan los rayos X. La electricidad que surge de cualquier toma de corriente lleva asociados campos electromagnéticos de frecuencia baja. Además, diversos tipos de ondas de radio de frecuencia más alta se utilizan para transmitir información, ya sea por medio de antenas de televisión, estaciones de radio o estaciones base de telefonía móvil.

Campos eléctricos

1. La fuente de los campos eléctricos es la tensión eléctrica.
2. Su intensidad se mide en voltios por metro (V/m).
3. Puede existir un campo eléctrico incluso cuando el aparato eléctrico no está en marcha.
4. La intensidad del campo disminuye conforme aumenta la distancia desde la fuente.
5. La mayoría de los materiales de construcción protegen en cierta medida de los campos
eléctricos.

Campos magnéticos.

1. La fuente de los campos magnéticos es la corriente eléctrica.
2. Su intensidad se mide en amperios por metro (A/m). Habitualmente, los investigadores de los
campos magnétiocos utilizan una magnitud relacionada, la densidad de flujo (en microteslas)
(µT) o militeslas (mT).
3. Los campos magnéticos se originan cuando se pone en marcha un aparato eléctrico y fluye la
corriente. CEM
4. La intensidad del campo disminuye conforme aumenta la distancia desde la fuente.
5. La mayoría de los materiales no atenúan los campos magnéticos.

Campo electromagnético.

Un campo electromagnético es un campo físico que oscila como una onda y que afecta a partículas con carga eléctrica, esto significa que la manera de producir un campo electromagnético es acelerando cargas eléctricas que ya poseen un campo eléctrico propio. Fijado un sistema de referencia podemos descomponer convencionalmente el campo electromagnético en una parte eléctrica y en una parte magnética, es decir que la carga eléctrica acelerada contará con un campo eléctrico y un magnético debido a la aceleración. Sin embargo, un observador en movimiento relativo respecto a ese sistema de referencia medirá efectos eléctricos y magnéticos diferentes, lo cual ilustra la relatividad de lo que llamamos parte eléctrica y parte magnética del campo electromagnético. Como consecuencia de lo anterior tenemos que ni el "vector" campo eléctrico ni el "vector" de inducción magnética se comportan genuinamente como magnitudes físicas de tipo vectorial, sino que juntos constituyen un tensor para el que sí existen leyes de transformación físicamente esperables.

Conceptos básicos sobre la longitud y frecuencia de las ondas.
Una de las principales magnitudes que caracterizan un campo electromagnético (CEM) es su frecuencia, o la correspondiente longitud de onda. El efecto sobre el organismo de los diferentes campos electromagnéticos es función de su frecuencia. Podemos imaginar las ondas electromagnéticas como series de ondas muy uniformes que se desplazan a una velocidad enorme: la velocidad de la luz. La frecuencia simplemente describe el número de oscilaciones o ciclos por segundo, mientras que la expresión «longitud de onda» se refiere a la distancia entre una onda y la siguiente. Por consiguiente, la longitud de onda y la frecuencia están inseparablemente ligadas: cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la longitud de onda.
El concepto se puede ilustrar mediante una analogía sencilla. Ate una cuerda larga al pomo de una puerta y sujete el extremo libre. Si lo mueve lentamente arriba y abajo generará una única
onda de gran tamaño; un movimiento más rápido generará numerosas ondas pequeñas. La longitud de la cuerda no varía, por lo que cuantas más ondas genere (mayor frecuencia), menor será la distancia entre las mismas (menor longitud de onda).

Campos electromagnéticos de frecuencias bajas.
En presencia de una carga eléctrica positiva o negativa se producen campos eléctricos que ejercen fuerzas sobre las otras cargas presentes en el campo. La intensidad del campo eléctrico se mide en voltios por metro (V/m). Cualquier conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado, que está presente aunque no fluya la corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la tensión, más intenso será el campo eléctrico a una determinada distancia del conductor.
Los campos eléctricos son más intensos cuanto menor es la distancia a la carga o conductor cargado que los genera y su intensidad disminuye rápidamente al aumentar la distancia. Los materiales conductores, como los metales, proporcionan una protección eficaz contra los campos magnéticos. Otros materiales, como los materiales de construcción y los árboles, presentan también cierta capacidad protectora. Por consiguiente, las paredes, los edificios y los árboles reducen la intensidad de los campos eléctricos de las líneas de conducción eléctrica situadas en el exterior de las casas. Cuando las líneas de conducción eléctrica están enterradas en el suelo, los campos eléctricos que generan casi no pueden detectarse en la superficie.
Los campos magnéticos se originan por el movimiento de cargas eléctricas. La intensidad de los campos magnéticos se mide en amperios por metro (A/m), aunque en las investigaciones sobre campos electromagnéticos los científicos utilizan más frecuentemente una magnitud relacionada, la densidad de flujo (en microteslas, µT). Al contrario que los campos eléctricos, los campos magnéticos sólo aparecen cuando se pone en marcha un aparato eléctrico y fluye la corriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente, mayor será la intensidad del campo magnético.
Al igual que los campos eléctricos, los campos magnéticos son más intensos en los puntos cercanos a su origen y su intensidad disminuye rápidamente conforme aumenta la distancia desde la fuente. Los materiales comunes, como las paredes de los edificios, no bloquean los campos magnéticos.

Campos electromagnéticos estacionarios y variables en el tiempo.
Un campo estático es el que no varía en el tiempo. Una corriente continua (DC, en inglés) es una corriente eléctrica que fluye siempre en el mismo sentido. En cualquier aparato eléctrico alimentado con pilas fluye corriente de la pila al aparato y de éste a la pila, generándose un campo magnético estático. El campo magnético terrestre es también un campo estático, así como el campo magnético que rodea a una barra imantada, el cual puede visualizarse por medio del dibujo que se forma cuando se espolvorean limaduras de hierro en torno a la barra.
En cambio, las corrientes alternas (AC, en inglés) forman campos electromagnéticos variables en el tiempo. Las corrientes alternas invierten su sentido de forma periódica. En la mayoría de los países de Europa la corriente alterna cambia de sentido con una frecuencia de 50 ciclos por segundo, o 50 Hz (hertz o hertzios) y, de forma correspondiente, el campo electromagnético asociado cambia de orientación 50 veces cada segundo. La frecuencia de la corriente eléctrica en los países de América del Norte es de 60 Hz.
Los campos electromagnéticos variables en el tiempo que producen los aparatos eléctricos son un ejemplo de campos de frecuencia extremadamente baja (FEB, o ELF, en inglés), con frecuencias generalmente de hasta 300 Hz. Otras tecnologías producen campos de frecuencia intermedia (FI), con frecuencias de 300 Hz a 10 MHz, y campos de radiofrecuencia (RF), con frecuencias de 10 MHz a 300 GHz. Los efectos de los campos electromagnéticos sobre el organismo no sólo dependen de su intensidad sino también de su frecuencia y energía. Las principales fuentes de campos de FEB son la red de suministro eléctrico y todos los aparatos eléctricos; las pantallas de computadora, los dispositivos antirrobo y los sistemas de seguridad son las principales fuentes de campos de FI y las principales fuentes de campos de RF son la radio, la televisión, las antenas de radares y teléfonos celulares y los hornos de microondas. Estos campos inducen corrientes en el organismo que, dependiendo de su amplitud y frecuencia, pueden producir diversos efectos como calentamiento y sacudidas eléctricas. (No obstante, para producir estos efectos, los campos exteriores al organismo deben ser muy intensos, mucho más que los presentes habitualmente en el medio.)

Campos electromagnéticos de frecuencias altas.
Los teléfonos móviles, la televisión y los transmisores de radio y radares producen campos de RF. Estos campos se utilizan para transmitir información a distancias largas y son la base de las telecomunicaciones, así como de la difusión de radio y televisión en todo el mundo. Las microondas son campos de RF de frecuencias altas, del orden de GHz. En los hornos de microondas, utilizamos estos campos para el calentamiento rápido de alimentos.
En las frecuencias de radio, los campos eléctricos y magnéticos están estrechamente relacionados y sus niveles se miden normalmente por la densidad de potencia, en vatios por metro cuadrado (W/m2).