Electricidad, magnetismo y la imagen de Maxwell
Conecta la carga, los campos, los circuitos, la inducción, la luz y el momento electromagnético.
Construye desde las interacciones de Coulomb hasta la imagen de campo unificada de Maxwell, y úsala luego para auditar cavidades, dispositivos de plasma y experimentos de propulsión.
Antes de empezar
- • Materia y campos del nivel 1
- • Ondas del nivel 1
- • Mecánica y leyes de conservación
Al terminar, podrás
- • Calcular fuerzas eléctricas, campos, voltaje y corriente sencillos.
- • Explicar la fuerza magnética y la inducción.
- • Describir la luz como una onda electromagnética.
- • Seguir la energía y el momento electromagnéticos dentro de un aparato.
Modelo interactivo
Explora antes de calcular
Lección 1 de 3
Carga, campo eléctrico y voltaje
¿Cómo encajan entre sí la descripción local del campo y la de energía por unidad de carga?
El campo eléctrico da la fuerza por unidad de carga de prueba positiva. El voltaje da la diferencia de energía potencial eléctrica por unidad de carga.
El campo es un vector y el voltaje es un escalar. Los dos describen un mismo sistema electromagnético desde puntos de vista complementarios.
Ejemplo resuelto
¿Qué fuerza experimenta una carga de 2 μC en un campo de 300 N/C?
- 1. Convierte 2 μC en 2×10⁻⁶ C.
- 2. Usa F = qE.
- 3. Multiplica 2×10⁻⁶×300.
El módulo de la fuerza es 6×10⁻⁴ N, en la dirección del campo si la carga es positiva.
Pruébalo
Traza las equipotenciales
Materiales: Una simulación segura de mapeo de campo a bajo voltaje.
- 1. Coloca dos electrodos virtuales.
- 2. Toma el voltaje en los puntos de una cuadrícula.
- 3. Une los puntos que tengan el mismo voltaje.
- 4. Compara la dirección del campo eléctrico con las curvas de nivel.
Fíjate: Las flechas del campo eléctrico cruzan las líneas equipotenciales en ángulo recto y apuntan hacia donde decrece el potencial para la energía de una carga de prueba positiva.
Comprueba lo que entendiste: ¿Un voltaje alto significa necesariamente una corriente alta?
Respuesta: No.
La corriente depende además de la resistencia y de la conexión del circuito; un circuito abierto puede tener voltaje con una corriente despreciable.
Lección 2 de 3
Fuerza magnética e inducción
¿Cómo pueden unos campos que cambian transferir energía sin contacto directo?
Los campos magnéticos actúan sobre la carga en movimiento y sobre los momentos magnéticos. Para una carga puntual, la dirección de la fuerza es perpendicular a la velocidad y al campo a la vez.
Un flujo magnético que cambia produce un campo eléctrico. La ley de Lenz fija la dirección para que los efectos inducidos se opongan al cambio de flujo, lo que preserva la contabilidad de la energía.
Ejemplo resuelto
¿Por qué se frena un imán al caer por un tubo conductor?
- 1. El flujo que cambia induce corrientes que circulan.
- 2. Esas corrientes crean un campo magnético que se opone al cambio.
- 3. La energía mecánica se convierte en calentamiento por resistencia eléctrica.
El frenado es inducción electromagnética, no un arrastre inexplicado ni energía perdida.
Pruébalo
Laboratorio virtual de inducción
Materiales: Una simulación de bobina e imán.
- 1. Mueve el imán despacio a través de la bobina.
- 2. Repítelo más rápido.
- 3. Invierte el polo y el sentido del movimiento.
- 4. Registra el signo del voltaje y el tamaño del pico.
Fíjate: Un cambio de flujo más rápido produce un voltaje inducido mayor; invertir el cambio invierte la polaridad.
Comprueba lo que entendiste: ¿Por qué la ley de Lenz se opone al cambio en lugar de reforzarlo libremente?
Respuesta: Reforzarlo sin una entrada extra violaría la conservación de la energía.
La fuerza de reacción hace que quien mueve el imán aporte la energía eléctrica entregada al circuito.
Lección 3 de 3
Las ecuaciones de Maxwell y las ondas electromagnéticas
¿Cómo sostienen la luz por el espacio unos campos eléctricos y magnéticos que cambian?
Las ecuaciones de Maxwell enlazan las cargas con los campos eléctricos, las corrientes con los campos magnéticos, los campos magnéticos cambiantes con campos eléctricos que circulan, y los campos eléctricos cambiantes con campos magnéticos.
En el espacio sin fuentes, esos cambios acoplados forman ondas que viajan a c. Su energía y su momento pueden ejercer presión de radiación.
Ejemplo resuelto
Un haz de 10 W se absorbe por completo. ¿Qué escala de fuerza puede entregar su momento?
- 1. Para luz absorbida, F = P/c.
- 2. Usa c ≈ 3×10⁸ m/s.
- 3. Calcula 10/(3×10⁸).
Unos 3.3×10⁻⁸ N: pequeño, pero importante en los experimentos de empuje de precisión.
Pruébalo
Presupuesto de fuerzas de una cavidad
Materiales: Papel, un valor de potencia de la cavidad y una calculadora.
- 1. Calcula la escala máxima de presión de radiación ordinaria, P/c.
- 2. Enumera las fuerzas de los cables, el calentamiento, la desgasificación y el acoplamiento magnético.
- 3. Ordena los tamaños esperados.
- 4. Diseña una prueba de inversión o una prueba nula.
Fíjate: Los efectos electromagnéticos conocidos crean fuerzas diminutas y reales que hay que acotar antes de afirmar que hay una propulsión nueva.
Comprueba lo que entendiste: ¿Puede una onda electromagnética transportar momento aunque los fotones tengan masa en reposo cero?
Respuesta: Sí.
La energía y el momento relativistas están relacionados; la luz transfiere momento al ser absorbida o reflejada.
De la fórmula al significado
Lee la ecuación en lenguaje corriente.
F = qE; V = ΔU/q
El campo fija la fuerza por unidad de carga; el voltaje fija la diferencia de energía por unidad de carga.
Unidades: N; V = J/C
F = q(v × B)
La fuerza magnética es perpendicular al movimiento de la carga y al campo magnético.
Unidades: N
c = 1/√(μ₀ε₀); F_light ≈ P/c
Las constantes del vacío fijan la velocidad de la onda; la potencia del haz fija la escala de la fuerza de presión de radiación.
Unidades: m/s; N
Práctica independiente
Serie de problemas
Resuelve cada problema antes de abrir la pista y la solución.
1. Una fuente de 12 V hace circular 0.50 A. ¿Qué potencia se entrega?
Ver la pista
Usa P = VI.
Ver la solución
6.0 W.
2. El flujo magnético a través de una espira cambia en 0.020 Wb en 0.10 s. Halla el módulo de la fem inducida media.
Ver la pista
Usa |fem| = |ΔΦ/Δt|.
Ver la solución
0.20 V.
3. Estima la fuerza de la luz absorbida de un haz de 1 kW.
Ver la pista
Usa P/c.
Ver la solución
Unos 3.3 μN.
Sigue hacia la evidencia
Próxima lectura, con sus fuentes
Capítulo 10: Electrodinámica longitudinal
Separa las matemáticas de Maxwell y Whittaker de las extrapolaciones sin respaldo sobre ondas escalares.
Capítulo 7: Ingeniería electromagnética de la métrica
Aplica la contabilidad de campos y de energía a las afirmaciones de las patentes de Pais.
Clase 10: La serie de patentes de Pais
Mecanismos documentados frente a evidencia experimental pública.