Circuito Eléctrico y Electromagnetismo

Introducción

Dentro de la física encontramos muchos de los
elementos o componentes que a diario utilizamos en nuestra vida
diaria y uno de ellos es la electricidad. A la que también
se le denomina circuito eléctrico, el circuito
eléctrico es una red de conexiones por la que transita la
corriente eléctrica fuerte o mínima está
compuesta por una cantidad de elementos, componentes y leyes.
Desde los de 1800 comenzando los años 1900 el ser humano
ha adoptado la electricidad como un elemento fundamental para el
hogar de cada uno. Desde la luz eléctrica como tal para
iluminar hasta los electrodomésticos de alta y
última tecnología.

Por otra parte El electromagnetismo es una rama de la
física que estudia y unifica los fenómenos
eléctricos y magnéticos en una sola teoría,
cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y
formulados por primera vez de modo completo por James Clerk
Maxwell.

El electro magnetismo y la energía
electrostática la podemos observar cuando realizamos
algún rose de materiales o elementes que posean
electricidad o simplemente el frotamiento la energía y el
calor producen una reacción imantada que atrae a los
elementos de menor tamaño y volumen.

La energía eléctrica es de gran
importancia para nuestras vidas para el mejoramiento de la misma
ya que todo a nuestro alrededor posee energía
eléctrica o energía
electrostática.

Desarrollo

Circuito
eléctrico

Un circuito es una red
eléctrica interconexión de dos o más
componentes, tales
como resistencias, inductores, condensadores,
fuentes, interruptores y semiconductores que
contiene al menos una trayectoria cerrada.

Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes
lineales resistores, condensadores, inductores, y elementos de
distribución lineales líneas de transmisión
o cables pueden analizarse por métodos algebraicos para
determinar su comportamiento en corriente directa o
en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes
electrónicos es denominado un
circuito electrónico. Estas redes son generalmente no
lineales y requieren diseños y herramientas de
análisis mucho más complejos.

Componente: Un dispositivo con dos o más
terminales en el que puede fluir interiormente una
carga.
Nodo: Puntos de un circuito donde concurren
más de dos conductores. A, B, D, E son nodos.
Nótese que C no es considerado como un nuevo nodo,
puesto que se puede considerar como un mismo nodo en A, ya
que entre ellos no existe diferencia de potencial o tener
tensión 0 (VA - VC = 0).
Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito
comprendidos entre dos nodos consecutivos. En la figura 1 se
hallan siete ramales: AB por la fuente, BC por R1, AD, AE,
BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede
circular una corriente.
Malla: Cualquier camino cerrado en un circuito
eléctrico.
Fuente: Componente que se encarga de transformar
algún tipo de energía en energía
eléctrica. En el circuito de la figura 1 hay tres
fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y
E2.
Conductor: Comúnmente llamado cable; es un
hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une
los elementos para formar el circuito.
Clasificación de los circuitos

Circuito eléctrico: Se denomina circuito
eléctrico al conjunto de elementos eléctricos
conectados entre sí que permiten generar, transportar y
utilizar la energía eléctrica con la finalidad de
transformarla en otro tipo de energía como por ejemplo,
energía calorífica (estufa), energía
lumínica (bombilla), energía mecánica
(motor), etc.

Los circuitos eléctricos se clasifican de la
siguiente forma:

Por el tipo de señal.

De corriente continúa. Es el flujo continuo de
electrones a través de un conductor entre dos puntos de
distinto potencial y las cargas eléctricas siempre
circulan en la misma dirección.

De corriente alterna. Se conocen por el cambio constante
de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo. Esto es
que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro
positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades
se invierten tantas veces como ciclos por segundo o Hertz posea
esa corriente.

Mixtos. Este tipo de circuitos, también conocidos
como circuitos híbridos, contienen componentes
analógicos y digitales, y se están haciendo cada
vez más comunes. Los conversores analógico-digital
y los conversores digital-analógico son los principales
ejemplos.

Por el tipo de régimen:

Periódico. A diferencia de la corriente continua
que posee siempre.

Leyes
fundamentales

Existen unas leyes fundamentales que rigen a cualquier
circuito eléctrico. Estas son:

Ley de corriente de Kirchhoff: La suma de las
corrientes que entran por un nodo deben ser igual a la suma
de las corrientes que salen por ese nodo.
Ley de tensiones de Kirchhoff: La suma de las
tensiones en un lazo debe ser 0.
Ley de Ohm: La tensión en una resistencia es
igual al producto del valor dicha resistencia por la
corriente que fluye a través de ella.
Teorema de Norton: Cualquier red que tenga una
fuente de tensión o de corriente y al menos una
resistencia es equivalente a una fuente ideal de corriente en
paralelo con una resistencia.
Teorema de Thévenin: Cualquier red que tenga
una fuente de tensión o de corriente y al menos una
resistencia es equivalente a una fuente ideal de
tensión en serie con una resistencia.

Si el circuito eléctrico tiene componentes no
lineales y reactivos, pueden necesitarse otras leyes mucho
más complejas. Al aplicar estas leyes o teoremas se
producirán un sistema de ecuaciones lineales que
pueden ser resueltas manualmente o por computadora.

Métodos de diseño

Para diseñar cualquier circuito eléctrico,
ya sea análogo o digital,
los ingenieros electricistas deben ser capaces de
predecir las tensiones y corrientes de todo el circuito.
Los circuitos lineales, es decir, circuitos con la misma
frecuencia de entrada y salida, pueden analizarse a mano usando
la teoría de los números complejos. Otros
circuitos sólo pueden analizarse con programas
informáticos especializados o con técnicas de
estimación como el método de
linealización.

Los programas informáticos de
simulación de circuitos, como SPICE, y lenguajes
como VHDL y Verilog permiten a los ingenieros
diseñar circuitos sin el tiempo, costo y riesgo que tiene
el construir un circuito prototipo.

Pueden necesitarse otras leyes más complejas si
el circuito contiene componentes no lineales y reactivos. Aplicar
estas leyes producen un sistema de ecuaciones que puede ser
resuelto ya sea de forma algebraica o numérica.

Circuitos de corriente directa: Son aquellos
circuitos donde la corriente mantiene su magnitud a lo largo
del tiempo.
Circuitos de corriente alterna: Son aquellos
circuitos donde varía cíclicamente la corriente
eléctrica.
Circuito digital: Circuitos que trabajan
con señales digitales como
los computadores, los controladores lógicos
programables, los relojes electrónicos, entre
otros.
Circuito serie: Circuito conectado
secuencialmente.
Circuito paralelo: Circuito donde todos los
componentes coinciden entre sus terminales.
Circuito integrado: Pastilla pequeña de
material semiconductor, de algunos milímetros
cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos
electrónicos.
Circuitos de señal mixta: Contienen
componentes analógicos y digitales.
Los conversores analógico-digital y
los conversores digital-analógico son los
principales ejemplos.
Circuitos de primer orden: Son aquellos que
contienen solo un elemento que almacena
energía.
Diagrama electrónico:
Representación pictórica de un
circuito.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es una rama de la física que
estudia y unifica los fenómenos eléctricos y
magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos
fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez
de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación
consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que
relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y
sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica,
polarización eléctrica y polarización
magnética), conocidas como ecuaciones de
Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es
decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en
magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes
de la posición en el espacio y del tiempo. El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos
macroscópicos en los cuales intervienen cargas
eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello
campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre
las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por
ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable
sólo a un número muy grande de partículas y
a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas,
el electromagnetismo no describe los fenómenos
atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la
mecánica cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de
las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente
conocido

Historia del electromagnetismo.

Desde la antigua Grecia se conocían los
fenómenos magnéticos y eléctricos pero no es
hasta inicios del siglo XVII donde se comienza a realizar
experimentos y a llegar a conclusiones científicas de
estos fenómenos.1 Durante estos dos siglos, XVII y XVIII,
grandes hombres de ciencia como William Gilbert, Otto von
Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta entre
otros estuvieron investigando estos dos fenómenos de
manera separada y llegando a conclusiones coherentes con sus
experimentos.

Michael Faraday.

A principios del siglo XIX Hans Christian Ørsted
encontró evidencia empírica de que los
fenómenos magnéticos y eléctricos estaban
relacionados. De ahí es que los trabajos de físicos
como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph
Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday en ese siglo, son
unificados por James Clerk Maxwell en 1861 con un conjunto de
ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno
solo, como un fenómeno electromagnético.

James Clerk Maxwell.

Las ahora llamadas ecuaciones de Maxwell demostraban que
los campos eléctricos y los campos magnéticos eran
manifestaciones de un solo campo electromagnético.
Además describía la naturaleza ondulatoria de la
luz, mostrándola como una onda electromagnética.
Con una sola teoría consistente que describía estos
dos fenómenos antes separados, los físicos pudieron
realizar varios experimentos prodigiosos e inventos muy
útiles como la bombilla eléctrica por Thomas Alva
Edison o el generador de corriente alterna por Nikola Tesla. El
éxito predicitivo de la teoría de Maxwell y la
búsqueda de una interpretación coherente de sus
implicaciones, fue lo que llevó a Albert Einstein a
formular su teoría de la relatividad que se apoyaba en
algunos resultados previos de Hendrik Antoon Lorentz y Henri
Poincaré.

En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de
la mecánica cuántica, el electromagnetismo
tenía que mejorar su formulación con el objetivo de
que fuera coherente con la nueva teoría. Esto se
logró en la década de 1940 cuando se
completó una teoría cuántica
electromagnética o mejor conocida como
electrodinámica cuántica.

Electrostática

Un electroscopio usado para medir la carga
eléctrica de un objeto.

Cuando hablamos de electrostática nos referimos a
los fenómenos que ocurren debido a una propiedad
intrínseca y discreta de la materia, la carga, cuando es
estacionaria o no depende del tiempo. La unidad de carga
elemental, es decir, la más pequeña observable, es
la carga que tiene el electrón. Se dice que un cuerpo
está cargado eléctricamente cuando tiene exceso o
falta de electrones en los átomos que lo componen. Por
definición el defecto de electrones se la denomina carga
positiva y al exceso carga negativa. La relación entre los
dos tipos de carga es de atracción cuando son diferentes y
de repulsión cuando son iguales.

La carga elemental es una unidad muy pequeña para
cálculos prácticos, es por eso que en el sistema
internacional a la unidad de carga eléctrica, el culombio,
se le define como la cantidad de carga de 6,25 x 1018 electrones.
El movimiento de electrones por un conductor se denomina
corriente eléctrica y la cantidad de carga
eléctrica que pasa por unidad de tiempo se la define como
intensidad de corriente. Se pueden introducir más
conceptos como el de diferencia de potencial o el de resistencia,
que nos conduciría ineludiblemente al área de
circuitos eléctricos, y todo eso se puede ver con
más detalle en el artículo principal.

El nombre de la unidad de carga se debe a Coulomb quien
en 1785 llegó a una relación matemática de
la fuerza eléctrica entre cargas puntuales, que ahora se
la conoce como ley de Coulomb.

Magnetostática

Líneas de fuerza de una barra
magnética.

No fue sino hasta el año de 1820, cuando Hans
Christian Ørsted descubrió que el fenómeno
magnético estaba ligado al eléctrico, que se obtuvo
una teoría científica para el magnetismo. La
presencia de una corriente eléctrica, o sea, de un flujo
de carga debido a una diferencia de potencial, genera una fuerza
magnética que no varía en el tiempo. Si tenemos una
carga a una velocidad, ésta generará un campo
magnético que es perpendicular a la fuerza
magnética inducida por el movimiento en esta
corriente.

Electrodinámica
clásica

Hasta el momento se han estudiado los campos
eléctricos y magnéticos que no varían con el
tiempo. Pero los físicos a finales del siglo XIX
descubrieron que ambos campos estaban ligados y así un
campo eléctrico en movimiento, una corriente
eléctrica que varíe, genera un campo
magnético y un campo magnético de por si implica la
presencia de un campo eléctrico. Entonces, lo primero que
debemos definir es la fuerza que tendría una
partícula cargada que se mueva en un campo
magnético y así llegamos a la unión de las
dos fuerzas anteriores, lo que hoy conocemos como la fuerza de
Lorentz.

Tensor de campo electromagnético.

Clásicamente, al fijar un sistema de referencia,
se puede descomponer los campos eléctricos y
magnéticos del campo electromagnético. Pero al
tener a un observador con movimiento relativo respecto al sistema
de referencia, éste medirá efectos
eléctricos y magnéticos diferentes de un mismo
fenómeno electromagnético. El campo
eléctrico y la inducción magnética a pesar
de ser elementos vectoriales no se comportan como magnitudes
físicas vectoriales, por el contrario la unión de
ambos constituye otro ente físico llamado tensor y en este
caso el tensor de campo electromagnético.

Electrodinámica
cuántica

Posteriormente a la revolución cuántica de
inicios del siglo XX, los físicos se vieron forzados a
buscar una teoría cuántica de la interacción
electromagnética. El trabajo de Einstein con el efecto
fotoeléctrico y la posterior formulación de la
mecánica cuántica sugerían que la
interacción electromagnética se producía
mediante el intercambio de partículas elementales llamadas
fotones. La nueva formulación cuántica lograda en
la década de los años 40 del siglo XX
describía la interacción de este fotón
portador de fuerza y las otras partículas portadoras de
materia.

La electrodinámica cuántica es
principalmente una teoría cuántica de campos
renormalizada. Su desarrollo fue obra de Sinitiro Tomonaga,
Julian Schwinger, Richard Feynman y Freeman Dyson alrededor de
los años 1947 a 1949. En la electrodinámica
cuántica, la interacción entre partículas
viene descrita por un lagrangiano que posee simetría
local, concretamente simetría de gauge. Para la
electrodinámica cuántica, el campo de gauge donde
las partículas interactúan es el campo
electromagnético y esas partículas son los
fotones.

Conclusión

En el trabajo realizado pude aprender y desarrollar un
poco sobre el circuito eléctrico y el electromagnetismo,
los cuales pertenecen a la rama de la física y de los
cuales se genera energía bien sea eléctrico
estática.

El circuito eléctrico está compuesto por
una serie de circuitos Un circuito que tiene componentes
electrónicos es denominado un
circuito electrónico. Estas redes son generalmente no
lineales y requieren diseños y herramientas de
análisis mucho más complejos.

Los circuitos eléctricos se forman por redes
eléctricas las cuales se cruzan generando un
pequeño choque que se produce de forma lineal. La
corriente eléctrica deriva elementos dentro de los cuales
están los circuitos que se pueden producir de forma
natural o espontanea.