Electromagnetismo y Fenómenos Luminosos: Conceptos y Leyes Fundamentales

Electromagnetismo: Conceptos Clave y Clasificación

El electromagnetismo estudia la interacción entre cargas eléctricas en movimiento. Esta interacción no solo se manifiesta como una fuerza electrostática (descrita por la ley de Coulomb: F = Kqq'/r²), sino también a través de campos magnéticos.

Clasificación de Materiales según su Comportamiento Magnético

Los materiales se clasifican en tres categorías principales según su respuesta a un campo magnético externo:

• Ferromagnéticos: Poseen electrones desapareados cuyos momentos magnéticos se alinean espontáneamente en regiones llamadas dominios, creando dipolos magnéticos permanentes. Son fuertemente atraídos por los imanes y fáciles de imantar. Ejemplos: Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni).
• Paramagnéticos: También tienen electrones desapareados, pero sus momentos magnéticos se alinean con un campo magnético externo aplicado, reforzándolo. Son débilmente atraídos por los imanes y no retienen el magnetismo al retirar el campo. Ejemplo: Aluminio (Al).
• Diamagnéticos: Son débilmente repelidos por un campo magnético externo. Esto se debe a que algunos de sus dipolos magnéticos se orientan en sentido contrario al campo aplicado, creando un campo magnético opuesto. Ejemplos: Cobre (Cu), Plata (Ag), Plomo (Pb).

Líneas de Inducción Magnética

Las líneas de inducción magnética representan visualmente la dirección y la intensidad del campo magnético. Estas líneas:

• Salen del polo norte y entran al polo sur de un imán.
• Son siempre cerradas.
• La dirección del campo magnético en un punto es tangente a la línea de inducción en ese punto.

Leyes Fundamentales del Electromagnetismo

Ley de Biot-Savart

Permite calcular el campo magnético (B) creado por un circuito eléctrico. Se expresa como:

B = (μ₀ / 4π) ∫ (Idl × u_r) / r²

Donde:

• μ₀ es la permeabilidad magnética del vacío.
• I es la intensidad de corriente.
• dl es un elemento infinitesimal de longitud del circuito.
• u_r es un vector unitario que apunta desde el elemento de corriente hacia el punto donde se calcula el campo.
• r es la distancia entre el elemento de corriente y el punto.

Para un conductor rectilíneo infinito, la ley se simplifica a: B = μ₀I / (2πd), donde d es la distancia al conductor.

Ley de Lorentz

Describe la fuerza magnética (F_l) que experimenta una carga (q) moviéndose con velocidad (v) en un campo magnético (B):

F_l = q(v × B)

Ley de Laplace

Es análoga a la ley de Lorentz, pero se aplica a la fuerza magnética sobre un hilo conductor con corriente (I) en un campo magnético (B):

F = I(l × B)

Donde l es un vector que representa la longitud y dirección del hilo conductor.

Ley de Ampère

Permite calcular el campo magnético en situaciones de alta simetría, como en el interior de un solenoide. Establece que la circulación del campo magnético (B) a lo largo de una curva cerrada es proporcional a la corriente total encerrada por dicha curva:

∮ B · dl = μ₀I_encerrada

Experimento de Oersted

Estableció la conexión fundamental entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, demostrando que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor.

Ley de Faraday-Lenz

Describe la inducción electromagnética. Se divide en dos partes:

• Ley de Lenz: Indica el sentido de la corriente inducida. "La corriente inducida se opone al cambio de flujo magnético que la produce". La fuerza sobre una carga negativa es: F = -e(v × B)
• Ley de Faraday: Cuantifica la fuerza electromotriz (FEM) inducida. "La FEM inducida es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnético y al número de espiras de la bobina".

Naturaleza de la Luz y Fenómenos Luminosos

Índice de Refracción

El índice de refracción (n) de un medio es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en ese medio (v):

n = c / v

Cuando la luz cambia de medio, su frecuencia (f) permanece constante, pero su longitud de onda (λ) varía:

λ = v / f = c / (nf) = λ₀ / n

Donde λ₀ es la longitud de onda en el vacío.

Ley de Snell

Describe la refracción de la luz al pasar de un medio a otro:

sen(i) / sen(r) = v₁ / v₂ = n₂ / n₁

Donde:

• i es el ángulo de incidencia.
• r es el ángulo de refracción.
• v₁ y v₂ son las velocidades de la luz en los medios 1 y 2, respectivamente.
• n₁ y n₂ son los índices de refracción de los medios 1 y 2, respectivamente.

Ángulo Límite y Reflexión Total

El ángulo límite (l) es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción es de 90°. Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite, se produce la reflexión total interna, donde toda la luz se refleja y no hay refracción. Este fenómeno solo ocurre cuando la luz pasa de un medio más refringente a uno menos refringente (n₁ > n₂). El ángulo límite se calcula como:

sen(l) = n₂ / n₁

Fenómenos Luminosos

Dispersión

Es la descomposición de la luz en sus diferentes longitudes de onda (colores) componentes. Esto ocurre porque la velocidad de la luz en un medio material depende de la longitud de onda (excepto en el vacío, donde todas las longitudes de onda viajan a la misma velocidad, c).

Polarización

Es un fenómeno característico de las ondas transversales, como la luz. En la luz no polarizada, los campos eléctrico (E) y magnético (B) oscilan en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. La luz polarizada tiene el campo eléctrico oscilando en una sola dirección. La polarización puede ocurrir por reflexión, entre otros mecanismos.

Absorción

Cuando la luz se propaga a través de un medio material, pierde energía debido a la interacción con los átomos y moléculas del medio. Esta pérdida de energía se conoce como absorción.