Electromagnetismo
¡Más te vale estar preparado!, porque hoy no toca fácil. Cuando termines de leer esto, vas a entender muy bien el electromagnetismo. No van a haber ecuaciones, pero si mucha física, así que ve haciendo espacio en tu cerebro porque este va a ser uno de los mejores artículos que se subirán a esta página, y vas a querer recordarlo.
Por si quieres saberlo, vamos a entender primero la electricidad y el magnetismo, después veremos cómo se relacionan y quienes fueron los científicos que participaron en esto. Durante todo esto te voy a ir contando algunas experiencias mías y experimentos.
Advertencia: si quieres realizar todos los experimentos ten cuidado, ya que va a haber agua y electricidad en uno y en varios usaras electricidad y pelaras cables, así que trata de seguir bien los pasos y aislar bien todo con lo que te puedas electrocutar. Hay que tener mucho cuidado al trabajar con electricidad. Por otro lado, como estamos en cuarentena no hagas los experimentos a menos que tengas todo en tu casa. Como ultima cosa, no uses imanes del refrigerador porque suelen ser de muy mala calidad.
Electricidad
La electricidad son todos los fenómenos relacionados a las cargas eléctricas (positivas y negativas), sus movimientos e interacciones. Muchos fenómenos eléctricos, como la conductividad o la electrización, pueden explicarse mediante la composición de la materia y la estructura de los átomos. Estos tienen un núcleo con protones positivos y neutrones sin carga eléctrica, que están rodeados por una nube de electrones de carga negativa. En el modelo que quiero que imagines, el núcleo es como el sol, y los electrones como pequeños planetas o asteroides que lo orbitan, aunque en realidad sabemos que no es tan así. Usaremos este modelo que sirve para representar al átomo para explicar algunos fenómenos.
Existen diversos tipos de átomos, los metales que ceden electrones y los no metales que los reciben. Los átomos intercambian electrones de su capa más externa (valencia) para tratar de llenarla o vaciarla. Cuando se produce un enlace, los átomos se prestan electrones para intentar completarse unos a otros. Los metales están más cerca de vaciar su capa más externa, por lo que ceden electrones y estos tienen menos resistencia para pasar por él. Como ceden electrones se dice que tienden a cargarse positivos. Los no metales reciben electrones, ya que están cerca de completar su valencia, por lo que ponen mucha resistencia para dejar ir a los electrones. Como reciben electrones se dice que tienden a cargarse negativos.
La electrización es el intercambio de cargas dentro de un sistema. Si frotamos 2 cuerpos sin carga, le damos energía a los electrones y estos van a pasar de los metales a los no metales, por lo que cargamos eléctricamente a los cuerpos que frotamos. Antes de explicarte los otros métodos de electrización, quiero recordarte que las cargas opuestas, es decir positiva y negativa, se atraen, mientras que las que son iguales, ósea las positivas con las positivas y las negativas con las negativas, se repelen. En resumen, cargas iguales se repelen y opuestas se atraen, eso es lo que tienes que recordar. El segundo método para cargar un cuerpo consiste en tener un objeto con carga y acercarlo a uno sin, lo que hará que el segundo cuerpo se polarice, es decir que los electrones del segundo cuerpo se desplacen para acercarse o alejarse del cuerpo cargado. Si su carga es negativa, los electrones se van a alejar, mientras que si es positiva se van a acercar. El tercer método de electrización es tocar un cuerpo neutro con uno cargado, lo que hará que las cargas se repartan y ambos cuerpos queden con la misma carga eléctrica, por lo que se van a repeler.
Experimento 1: electrizando un globo.
Materiales:
Necesitas un globo, pedacitos pequeños de papel y tu pelo o un chaleco de lana.
Procedimiento:
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cortar el papel en pequeños trozos.
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inflar el globo de un tamaño mediano y frotarlo por 30 segundos o más con tu pelo o la lana.
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Acercar el globo, que se cargó eléctricamente y que ahora puede atraer pedazos de papel.
Experimento 2: los globos conectados
Materiales:
Necesitas 2 globos, un poco de hilo y tu pelo o un chaleco de lana.
Procedimiento:
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Inflar ambos globos hasta que tengan un tamaño mediado.
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Amarrarlos con el hilo para formar un sistema de globo-hilo-globo.
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Frotar uno de los globos con tu pelo o con la lana y agarrar el sistema desde diferentes posiciones. Cargamos un globo, y éste intercambio cargas por el hilo al otro globo, por lo que ambos tienen la misma carga eléctrica y se van a repeler.
Nota: Este experimento lo realice hace mucho y mis anotaciones no son muy claras, si realizas el experimento coméntame por algún lado tus resultados.
Ahora te contaré otro fenómeno eléctrico importante y que tiene muchas aplicaciones que tú ocupas diariamente. Este fenómeno es la corriente eléctrica, que es un flujo o movimiento de cargas eléctricas por un conductor. Los metales que ya vimos más arriba son conductores, no reciben a los electrones y los dejan pasar sin mucha resistencia. Hay una clase de conductores llamados superconductores que oponen 0 resistencia al paso de la corriente, pero hoy no te los voy a nombrar porque se les puede dedicar una página completa y no quiero que pierdas 10 minutos extra. Por otro lado están los no metales, que reciben electrones en sus capas y no dejan pasar a la corriente eléctrica, por lo que se conocen como aislantes. Las corrientes eléctricas las retomaremos más tarde, ya que van a tomar algo de importancia. Por otro lado, si quieres profundizar más sobre corrientes y circuitos eléctricos, te recomiendo que leas electricidad 1 y 2 que están en mi sección de escolar. Igual te dejaré justo aquí los links para que vayas.
https://www.bestefisik.com/electricidad-1
https://www.bestefisik.com/electricidad-2
Antes de seguir para ver el magnetismo, quiero contarte un último y muy divertido experimento.
Experimento 3: El globo bomba
Materiales:
Necesitaras un globo, un cable de cobre (si es posible cubierto con plástico o con un aislante), cinta aislante, algún objeto para pelar el cable y una pila a tu elección. Te recomiendo usar una tijera para pelar el cable y con mucho cuidado, no uses cuchillos porque son algo más peligrosos.
Procedimiento:
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Pelar el cable por los extremos y por la mitad.
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Conectar un extremo del cable con un lado (+ o -) de la pila y pegarlo con cinta aislante.
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Inflar el globo a un tamaño mediano o grande.
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Pegar el cable por la zona pelada con el globo usando la cinta aislante
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Conectar el otro extremo del cable con mucho cuidado y esperar
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Escuchar la explosión del globo, que se quemó por el paso de la corriente por la zona del cable pelada. Como la corriente es un movimiento de cargas eléctricas, y el movimiento normalmente genera calor como perdida de energía, el globo se calienta y una zona se quema, y al quemarse se rompe el globo y va a explotar. A esta pérdida de energía en forma de calor se le llama efecto Joule
Nota: mientras más grande sea el globo, más fuerte va a sonar, ten cuidado, yo aprendí esto de una forma bastante divertida.
Magnetismo
El magnetismo son todos los fenómenos relacionados a los imanes y a los campos magnéticos generados por estos. Lo más importante del magnetismo son las posibles aplicaciones de los imanes, por ejemplo la brújula o sacar metales ferromagnéticos de una solución o del fondo de una piscina. Un imán es todo tipo de objeto que presenta 2 polos magnéticos (llamados Norte y Sur), que crea un campo magnético y que atrae metales ferromagnéticos. Estaré diciendo demasiado magnético? Todas estas propiedades de los imanes son llamadas propiedades magnéticas. Los polos, al igual que las cargas eléctricas, atraen a los polos opuestos y repelen a los polos iguales de otros imanes.
Los imanes generan líneas de fuerza que salen del polo norte y viajan al sur formando círculos, y que después vuelven del polo sur al norte por dentro del imán. Todas las líneas realizan su propio circuito magnético, y a mayor distancia entre un circuito y otro, va a haber menor fuerza magnética. Es decir que la intensidad del campo es inversamente proporcional a la distancia entre sus circuitos. Ahora te voy a plantear un experimento mental para que visualices el campo magnético y además te voy a explicar porque los polos se atraen o se repelen. Imagina que van saliendo vectores del polo norte de un imán, y en la mitad del trayecto se encuentra un segundo imán que apunta por el polo sur. Las líneas de fuerza del primer imán van a desviarse y se juntarán con el polo sur, por lo que los imanes van a atraerse y se juntarán formando un imán más grande. Si ahora, el segundo imán en vez de apuntar con su polo sur apunta con el Norte, las líneas de fuerza se van a juntar, por lo que aumentara la intensidad del campo y la fuerza magnética será más fuerte, lo que alejará a un imán del otro.
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Los imanes tienen propiedades bastante curiosas, como que nunca vas a poder encontrar uno partido a la mitad, con esto me refiero a que es imposible encontrar un polo magnético que no esté conectado al polo opuesto. Esta es la gran diferencia con las cargas eléctricas. Si rompes un imán, vas a obtener 2 imanes más pequeños y con las mismas propiedades. Otro dato de los imanes es que pueden perder sus propiedades si sufren un golpe muy fuerte o se calientan a altas temperaturas. Los imanes ejercen influencia sobre todos los cuerpos, y dependiendo de cómo reaccionen se van a calificar en diamagnéticos (que son repelidos por el campo magnético), paramagnéticos (que son débilmente atraídos por el campo magnéticos) y ferromagnéticos (que son intensamente atraídos por el campo magnético). Esto se produce porque el imán puede alinear de mejor o peor forma el espín de los átomos del cuerpo sobre el que ejerce influencia.
Ahora solo falta explicar cómo atraen los imanes y cómo funciona la fuerza magnética. El imán primero, no ejerce fuerza sobre el otro imán o material ferromagnético, después empieza a ejercer más fuerza de forma lineal y después hay un punto donde están literalmente tan cerca que ya no puede aumentar más la intensidad. Según esto, la fuerza magnética va a depender directamente de la distancia entre el imán y el segundo cuerpo.
Experimento 4: observando al campo
Materiales:
Para este experimento, vas a necesitar limaduras de hierro, una hoja blanca y un imán. La limadura de hierro a veces te la regalan en lugares donde se corta fierro, ya que es deshecho como el aserrín de la madera.
Procedimiento:
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Tomar la hoja en blanco y colocar el imán debajo
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Poner las limaduras de hierro y observar. Deberías ver como se forman círculos medianamente marcados. Este es el campo magnético del imán.
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Mover el imán por debajo de la hoja para ver como atrae a la limadura incluso atravesando otro medio.
Electromagnetismo
Ahora, la pregunta del millón, ¿cómo se relaciona todo lo anterior? Tranquilo, antes voy a contarte la historia de cómo se descubrió, ya que el hecho de que estaban relacionados era algo que muchos científicos sospechaban ya en el siglo 19, pero el primero que logro observar evidencia de que en verdad había una relación entre la electricidad y el magnetismo fue Hans Oersted en 1819. Él estaba realizando experimentos con circuitos eléctricos cuando de repente vio que su brújula empezaba a funcionar de manera errática. Ahí se dio cuenta que la corriente eléctrica estaba creando magnetismo y alteraba la dirección hacia donde apuntaba su brújula. Oersted no pudo explicarlo, pero otros científicos sí pudieron. Ampere pensaba que la corriente creaba un campo magnético y años más tarde describió la fuerza magnética entre 2 conductores eléctricos paralelos. Durante este tiempo, Michael Faraday estuvo trabajando con los campos e hizo bastantes experimentos. Después te contaré uno de los experimentos más relevantes. Ya algunas décadas después, James Maxwell y en el año 1865 unifico finalmente todas las leyes y ecuaciones que definían al electromagnetismo en un cuerpo de 4 leyes, aunque originalmente eran 20. Maxwell unifico a los campos eléctricos y magnéticos y unió la luz, es decir la óptica, al electromagnetismo al descubrir que esta es una onda electromagnética. Maxwell creo las leyes que describían todo el electromagnetismo, pero aun así se siguieron haciendo desarrollos y eventualmente el electromagnetismo de Maxwell comenzaría a formar parte de otras teorías mayores. Si quieres ver una línea de tiempo y otras fechas importantes te dejo esta que encontré en internet y que no es mía. La estuve leyendo y le faltan algunos detalles e históricamente creo que no es 100% correcta, pero aún así es muy interactiva y está muy bien hecha.
Link: https://www.timetoast.com/timelines/linea-de-tiempo-la-historia-del-electromagnetismo
Ahora la mítica pregunta y que debería haber respondido hace ya mucho, como se relaciona todo esto. Bueno, nos remontaremos a los experimentos de Oersted y Faraday para que te explique las relaciones.
Experimento 5: la brújula de Oersted
Materiales:
Para este experimento necesitaras una aguja, un imán, una brújula una bombilla, tijeras, scotch o cinta adhesiva, cable de cobre, cinta aislante, una pila y un vaso con agua.
Procedimiento:
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Crear un circuito eléctrico donde tengas una recta con el cable de cobre. Para esto fijas 2 puntos del cable a la mesa y unes con cuidado el resto del cable de cobre a la pila por los extremos de esta, pegándolo con cinta aislante. Es importante que eleves este montaje hasta la altura del vaso. Te recomiendo usar soportes plásticos o construir unos soportes de cartón.
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Llenar el vaso de agua y construir alguna especie de flotador para la aguja con la bombilla. Puedes cortar los extremos y atravesar pequeños tubos de bombilla con la aguja.
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Identificar donde está el norte. Para esto usa la brújula.
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Frotar la aguja muchas veces y con la misma dirección por el imán. De esta forma vas a lograr que se imante, es decir que adquiera propiedades magnéticas.
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Poner la aguja en la balsa dentro del vaso con agua, acercarlo al cable conductor y hacer circular la corriente. En este paso veras que la aguja va a desviarse del norte que es hacia donde debería estar mirando.
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Intercambia tú brújula por el pequeño montaje que te enseñe a hacer. Ahora observa y si quieres anota los resultados y compara.
Este experimento es un poco complejo de realizar, son muchos pasos y necesitas muchas cosas, así que te recomiendo mirar videos sobre este fenómeno. Si decides realizarlo ten muchísimo cuidado ya que trabajar con agua y electricidad no es siempre buena idea. Aquí te dejo un video donde lo hacen mucho más simple solo con un generador, un cable y una brújula real; https://www.youtube.com/watch?v=_JY8b9xXpco. Yo realice el experimento más complejo pero así te enseñe a crear una brújula y te lo conté como me lo contaron a mí.
Ahora, ¿qué ocurre? Bueno, lo que pasa es que la corriente al circular por un conductor crea un campo magnético. Para visualizar como es este campo magnético usamos la regla de la mano derecha. Esta regla consiste en usar la mano derecha para simular con el pulgar la dirección de una corriente eléctrica y ver con la curvatura de los dedos hacia donde avanza el campo magnético producido por dicha corriente. El campo eléctrico en movimiento está creando un campo magnético alrededor. Ésta es la base de los electroimanes, y en otro post te voy a enseñar a construir uno. Hoy no porque se va a alargar un poco.
Ahora sabemos cómo la electricidad crea magnetismo, pero esto es solo la mitad. ¿Cómo el magnetismo genera electricidad? Pues esto tardo un poco más en lograrse, pero finalmente Faraday pudo hacerlo.
Experimento 6: corriente secreta de Faraday
Materiales:
Para este experimento vas a necesitar un cable de cobre totalmente pelado y lo más largo posible, un tubo de PVC, un imán potente (de preferencia de neodimio, no uno de refrigerador) y un amperímetro. Estos 2 últimos materiales no son sencillos de conseguir así que te dejaré un video, aunque si quieres puedes realizarlo.
Procedimiento:
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Crear una bobina alrededor del tubo de PVC, es decir enrollar muchas veces el cobre sobre el tubo.
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Conectar los extremos al amperímetro simplemente dando una vuelta con el cable de cobre y apretándolo haciendo una especie de nudo o pegándolo con cinta aislante.
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Hacer pasar el imán por dentro del tubo y ver como se genera una corriente. Esta corriente será más fuerte mientras más nos acerquemos al centro de la bobina o mientras más rápido movamos al imán.
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Como no es un experimento tan sencillo de realizar te dejaré el siguiente video; https://www.youtube.com/watch?v=r_J_FC9S1v8.
Bueno, lo que pasa es que nuestro imán a través de su campo magnético variable está induciendo una corriente en el conductor que estamos midiendo con el amperímetro. Un campo magnético puede transferir parte de su energía a los electrones del conductor, pero solamente si se está moviendo respecto a esté o si su campo magnético va variando de intensidad. Esto se llama inducción electromagnética y es obra de la ley de Faraday. En resumen, el movimiento y los cambios de intensidad de los campos eléctricos y magnéticos van a crear al campo complementario, es decir que los fenómenos electromagnéticos por las leyes del propio universo siempre van a generar al otro campo y por ende al otro fenómeno. El movimiento de cargas eléctricas crea magnetismo y el movimiento relativo de un conductor y un campo magnético crea corriente, a mi parecer es perfectamente complementario. Al menos a mí me gusta así, es más simétrico si te pones a pensarlo.
La ley de Faraday tiene bastantes aplicaciones como el transformador eléctrico. Esto se debe a una de las últimas reformulaciones de la ley de Faraday que vamos a ver en un futuro cuando hablemos de las leyes de Maxwell que rigen al electromagnetismo. Bueno, esta ley dice que mientras más vueltas tenga la bobina más fuerte será la intensidad eléctrica generada. Si ponemos 10 vueltas en la bobina B y hay 1000 en la bobina A, vamos a extraer mucha menos energía que si ponemos 100 vueltas en la bobina B, y este es el principio de los transformadores que bajan el voltaje para que tus dispositivos eléctricos como tu celular no se quemen. ¡¡Gracias Faraday!!
Por la ley de Faraday también ocurre un curioso efecto, y es que cuando movemos un campo magnético cerca de un conductor se generan corrientes. Bueno, estas corrientes van a liberar calor por efecto Joule y esto provoca una pérdida de energía del metal conductor, lo que algunas veces puede ser molesto, pero que también tiene una utilidad como poder crear calor y cocinar con este efecto.
Fuentes:
https://www.fundacionendesa.org/es/recursos/a201908-que-es-el-electromagnetismo
https://concepto.de/electromagnetismo/
https://diccionario.motorgiga.com/electromagnetismo
https://www.google.com/search?
q=electrizaci%C3%B3n&oq=electrizaci%C3%B3n&aqs=chrome..69i57.789j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8
https://es.wikipedia.org/wiki/Valencia_(qu%C3%ADmica)
https://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismo
https://es.wikipedia.org/wiki/Paramagnetismo
https://www.timetoast.com/timelines/linea-de-tiempo-la-historia-del-electromagnetismo