Electromagnética, Campos eléctricos y magnéticos
Este artículo trata primero de definiciones simples relacionadas con los campos eléctricos y magnéticos, luego entra en el tema de la combinación de estos dos campos, que se llama electromagnetismo y campo electromagnética.
Este artículo es una continuación del artículo sobre electrónica básica.
Campo eléctrico
La carga eléctrica
Todo en el mundo tiene algún tipo de gravedad: planetas, objetos, átomos, protones, neutrones y electrones.
Pero si todas estas atracciones fueran del mismo tipo y sólo dependieran de la ley de gravedad de Newton, todo el universo se convertiría en un objeto muy grande; Entonces podemos concluir que, además de la gravedad masiva, también existe un tipo de repulsión para evitar que todas las partículas elementales choquen entre sí.
Este tipo de atracción/gravedad y repulsión se ha creado como una especie de frecuencia en las partículas fundamentales, que también cambia la partícula fundamental.
Hay dos tipos de partículas fundamentales que repelen a su propio tipo y atraen al otro. Estas dos partículas se llaman electrones y protones. Según la definición, el protón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa, las cargas de estas dos partículas son iguales.
Carga negativa
En general, los objetos cargados negativamente tienen más electrones que protones. Dado que el número de protones en un átomo no se puede cambiar fácilmente, para hacer que un objeto sea negativo, tenemos que inyectarle electrones.
Carga positiva
En general, los objetos cargados positivamente tienen menos electrones que protones. Dado que el número de protones en un átomo no se puede cambiar fácilmente, para hacer que un objeto sea positivo, se deben tomar electrones de él.
Electrónica
La ciencia de la electrónica significa establecer métodos para inyectar o tomar electrones de materiales conductores o semiconductores y combinar relaciones matemáticas con estos métodos.
La ciencia digital es la combinación de relaciones lógicas con la ciencia electrónica. Antes de aprender estos métodos, es necesario abordar primero algunas de las reglas entre cargas, ya sean estacionarias o en movimiento.
Fuerza entre dos cargas
La carga de cada electrón es igual a:
1,602 x 10^-19 culombio
Cada culombio es igual a la carga de 6.242.197.253.433.208.489 electrones que se concentran en un punto.
La fuerza entre dos cargas, en dos puntos diferentes a una distancia de r, se calcula mediante la siguiente ecuación:
El coeficiente de permeabilidad magnética en el vacío/espacio es µ0 y el coeficiente de permeabilidad eléctrica en el vacío es Ƹ0 y estos dos valores son completamente constantes en este mundo siempre que la velocidad de la luz (c) sea constante.
La velocidad actual en las rutas/cables del circuito suele ser aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz (conocer la velocidad exacta es muy importante para la transmisión de datos de alta frecuencia).
El campo eléctrico de un punto
La fuerza creada por la acumulación de varias cargas (debido a la fuerza de atracción de cada carga) en el espacio alrededor de un objeto cargado se llama campo eléctrico de un punto.
Esta propiedad provoca la repulsión de la carga de la misma carga y la atracción de la carga de la carga opuesta.
La siguiente relación expresa el campo eléctrico alrededor de los electrones de un punto:
Líneas de campo eléctrico
Son líneas hipotéticas a lo largo de las cuales se producen los efectos del campo eléctrico. Puedes ver estas líneas en la siguiente figura:
Potencial eléctrico (voltios)
La energía contenida en un objeto conductor, un cable o cualquier otro material conductor, se llama energía potencial eléctrica o voltios.
Puede medir la cantidad de energía potencial en relación con un objeto con una fuente de 0 V (por ejemplo, un cable a tierra) y un voltímetro.
La energía potencial se obtiene multiplicando la fuerza en el desplazamiento (W=Fd).
Diferencia de potencial eléctrico (voltaje)
Todos los temas mencionados debían transmitir el concepto de voltaje.
La diferencia entre la energía potencial de dos puntos se llama voltaje.
Si conectamos estos dos puntos con un cable conductor, la energía potencial se mueve desde el punto más alto al punto más bajo hasta que los puntos alcanzan la misma energía potencial (por ejemplo, dos condensadores en paralelo).
La unidad de energía potencial es la misma que el julio, pero en la ciencia electrónica, debido a la importancia de la diferencia de potencial, se llama voltio y voltaje.
La velocidad con la que las cargas se mueven desde el punto más alto al punto más bajo se llama intensidad de la corriente eléctrica.
- No hay corriente entre dos fuentes de 5 V, pero sí entre una fuente de 0 V y una de 5 V.
Debido a la presencia de corriente, también hay resistencia.
Campo magnético
En la definición, las líneas hipotéticas alrededor de un objeto magnético se denominan campo magnético.
En otras palabras: donde hay propiedad magnética, también hay un campo magnético.
Propiedad magnética
La propiedad de un imán se llama propiedad magnética y hace que los materiales magnéticos (como el hierro) sean atraídos hacia él.
La transferencia de propiedades magnéticas a materiales magnéticos se llama inducción magnética.
Los materiales magnéticos se dividen en ferromagnéticos y paramagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se dividen en dos categorías: ferroimanes blandos (como el hierro, que adquiere y pierde magnetismo fácilmente) y ferroimanes duros (como el acero, que tarda mucho en adquirir propiedades magnéticas y conserva esta propiedad durante un período de tiempo más largo). .
Los materiales paramagnéticos necesitan un campo magnético fuerte para adquirir la propiedad magnética, como el manganeso.
Líneas de campo magnético y sus características.
Una serie de líneas invisibles alrededor de materiales magnéticos. Los efectos de estas líneas en el medio ambiente pueden ser visibles con la ayuda de virutas de hierro.
- Para ver la ubicación de las líneas, puedes colocar un papel sobre el imán y esparcir las virutas de hierro lentamente sobre el papel.
Una de las características de estas líneas es que estas líneas nunca se cruzan y en cualquier zona donde las líneas estén más comprimidas, el campo es más fuerte.
La dirección de las líneas se define como desde el polo N al polo S (en el interior de un imán es inverso).
Electromagnética
El campo magnético se puede generar utilizando la corriente eléctrica.
El campo magnético producido por la corriente eléctrica se llama campo electromagnética.
Podemos utilizar un cable conductor o un inductor para producir un campo electromagnética.
Si pasamos una corriente eléctrica a través de un cable recto, se creará un campo magnético a su alrededor.
La dirección de estas líneas/bucles del campo magnético depende de la dirección de la corriente.
En la imagen a continuación, puede ver que la dirección actual es de arriba a abajo y la dirección de los bucles frente al cable es de derecha a izquierda:
Puede determinar la dirección de los anillos en el modo de funcionamiento utilizando una brújula.
Para determinar la dirección del campo, puede utilizar la regla de la mano derecha en los cálculos.
Si juntamos dos cables portadores de corriente, al igual que si juntamos dos imanes, ejercerán fuerzas entre sí.
En la imagen de arriba, F12 significa la fuerza de campo del cable 1 sobre el cable 2 y F21 significa la fuerza de campo del cable 2 sobre el cable 1.
Ahora bien, si enrollamos un alambre largo recubierto alrededor de una varilla, después de establecer una corriente, además de producir un fuerte campo magnético, el campo de cada espira afecta a las demás.
En este dispositivo, que se llama inductor o tubo de alambre, debemos utilizar la regla de la mano derecha para determinar los polos.
Inducción electromagnética
La inducción electromagnética generalmente consiste en inducir el campo magnético generado por un imán eléctrico (primera bobina) a otra bobina y luego recuperar el potencial eléctrico en la segunda bobina.
En electromagnetismo, desde el punto de vista digital, la construcción de la señal es muy simple, pero desde el punto de vista analógico, existen algunas complicaciones.
Inducción electromagnética mediante dos hilos conductores rectos.
Un cable recto que transporta corriente puede inducir una corriente eléctrica a otro cable a su alrededor. La razón de esta inducción es el cambio en el flujo magnético.
En general, cambiar el flujo magnético significa mover el campo, rotarlo o cambiar la intensidad del campo magnético.
En el siguiente circuito, al realizar los siguientes cambios, puede cambiar el flujo magnético e inducir inducción electromagnética en objetos conductores y circuitos circundantes:
- Cable en movimiento AB
- Girar el alambre AB
- Cambie la resistencia del circuito con P1
Cuando se realiza la inducción electromagnética, para determinar la dirección de la corriente inducida, debemos invertir la dirección del campo inducido y encontrar la dirección de la corriente inducida usando la regla de la mano derecha (ley de Lenz).
Bobina / inductor (Coil)
Para construir un imán eléctrico, si enrollamos un cable alrededor de un clavo de hierro y conectamos los dos extremos del cable a una batería, el clavo se ve afectado por el campo magnético creado por la corriente eléctrica en el cable y se magnetiza.
La construcción de la bobina (inductor) también es la misma.
El inductor normalmente consta de dos partes, un núcleo de hierro/ferrita y un alambre de cobre enrollado alrededor del núcleo.
Los inductores también pueden carecer de núcleo de hierro (núcleo de aire).
Cuando la corriente ingresa al cable, parte de la energía se usa para crear un campo magnético y regularizar los dipolos magnéticos en el núcleo, lo que hace que la resistencia del inductor aumente al inicio y salga menos corriente del mismo, pero después los dipolos del núcleo se regularizan, la resistencia del inductor disminuye.
La siguiente figura muestra el esquema del inductor:
Con la ayuda de la propiedad inductora de las bobinas, se puede fabricar un transformador utilizando al menos dos inductores. Un transformador es un dispositivo que se puede utilizar para cambiar el voltaje de entrada. El transformador tiene tipos de reducción (para reducir el voltaje de entrada) y aumento (para aumentar el voltaje de entrada). El transformador sólo se puede utilizar en corriente alterna.
Inducción electromagnética mediante un inductor.
En el inductor, si utilizamos corriente continua, el flujo cambia sólo cuando la corriente se establece en el primer momento.
Pero cuando usamos una corriente alterna de onda sinusoidal con una frecuencia constante, tendremos un cambio de flujo magnético constante, lo que hace que el campo magnético se propague en forma de onda. Esto se llama ondas electromagnética.
Cada inductor tiene un coeficiente de autoinducción, con este coeficiente y un cálculo simple, puede encontrar la cantidad de caída de voltaje en el voltaje de entrada cuando se usa el inductor en serie:
XL = 2πfL
π = 3.1415 (pi)
En las relaciones anteriores, XL es la resistencia creada en el inductor debido a la autoinducción en la corriente alterna.
f es la frecuencia de la fuente de corriente alterna,
L es también el coeficiente de autoinductancia del inductor, que suele estar escrito en la pieza.
- Se concluye que a medida que aumenta la frecuencia, la resistencia del inductor (inductancia) aumentará, como resultado, el inductor L1 en los circuitos anteriores desempeña el papel de filtro de paso bajo y L2 actúa como filtro de paso alto.
Aplicación de inductores
Las aplicaciones más importantes del inductor son los filtros y los generadores de campos magnéticos/electromagnéticos.
Vocero (Speaker):
Debes saber que el trabajo del altavoz es producir sonido haciendo vibrar su placa redonda y elástica. Esta placa vibra utilizando la fuerza magnética.
Detrás de esta placa hay un inductor pegado y hay un imán en el medio de este inductor. Al establecer una corriente en el inductor, el campo magnético ejerce fuerza sobre el inductor y hace que el inductor y la placa se muevan.
La placa mueve el aire alrededor de sí misma y la presión se vuelve alta y baja debido a la vibración de la placa con una corriente alterna.
Micrófono:
Un tipo de micrófono tiene la misma estructura que un altavoz, la placa vibra con la diferencia de presión del aire debido al sonido y hace que el inductor se mueva.
Estos movimientos del inductor con su núcleo magnético constante presentan un campo magnético y energía potencial eléctrica.
Comunicación por radio:
Para transmitir datos a través de ondas de radio, es necesario aumentar y disminuir el potencial eléctrico en una bobina y en la antena.
Esto crea un campo eléctrico en la antena y el movimiento de los electrones en los componentes del oscilador (bobina) crea un campo magnético.
El campo eléctrico y magnético, en forma de onda electromagnética, se propaga esféricamente a la velocidad de la luz.
Estas ondas pueden recibirse y recuperarse mediante bobinas y antenas, y luego amplificarse y decodificarse mediante el circuito receptor.
En próximos artículos hablaré sobre cómo enviar y recibir datos con ondas electromagnéticas.
Escrito por: M. Mahdi K. Kanan – Ingeniero de programación y electrónica de pila completa y fundador de WiCardTech