La carga eléctrica es una propiedad de la materia. Existen cargas positivas y negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.
La carga eléctrica se conserva y está cuantizada:
La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
La fuerza actúa sobre la recta que une las cargas y puede ser atractiva o repulsiva.
El campo eléctrico indica la fuerza que experimenta una carga positiva de prueba por unidad de carga.
Su unidad es:
Para una carga puntual:
El campo eléctrico apunta hacia afuera de las cargas positivas y hacia las cargas negativas.
El campo eléctrico producido por varias cargas es la suma vectorial de los campos individuales.
El potencial eléctrico es la energía potencial eléctrica por unidad de carga.
Para una carga puntual:
La variación de energía potencial de una carga que se desplaza entre dos puntos es:
La unidad de potencial eléctrico es el voltio:
Entre dos placas paralelas, despreciando los efectos de borde, el campo eléctrico es aproximadamente uniforme.
La fuerza sobre una carga ubicada en el campo es:
La corriente eléctrica es la cantidad de carga que atraviesa una sección de un conductor por unidad de tiempo.
Para un conductor óhmico, a temperatura constante, la diferencia de potencial es proporcional a la corriente.
La resistencia de un conductor uniforme es:
La potencia eléctrica es la energía transferida por unidad de tiempo.
Para una resistencia óhmica:
La potencia se mide en watts [W].
Si la potencia es constante, la energía transferida es:
La energía se mide en joules [J].
La suma de las corrientes que ingresan a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen.
Esta ley expresa la conservación de la carga eléctrica.
En un circuito de corriente continua, la suma algebraica de las diferencias de potencial a lo largo de una malla cerrada es cero.
Esta ley expresa la conservación de la energía en circuitos sin flujo magnético variable.
El campo magnético se representa mediante el vector y se mide en teslas [T].
Las líneas de campo magnético forman curvas cerradas. No se han observado monopolos magnéticos aislados.
Una carga eléctrica en movimiento dentro de un campo magnético puede experimentar una fuerza.
La fuerza es perpendicular a la velocidad y al campo magnético. Su dirección se determina mediante la regla de la mano derecha para cargas positivas.
Como la fuerza magnética es perpendicular a la velocidad, no realiza trabajo sobre la partícula.
Una carga eléctrica sometida simultáneamente a un campo eléctrico y uno magnético experimenta una fuerza total:
Esta expresión reúne las fuerzas eléctrica y magnética.
Un conductor recto recorrido por una corriente eléctrica, ubicado dentro de un campo magnético uniforme, experimenta una fuerza:
Una corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor del conductor.
En el interior de un solenoide largo, el campo magnético es aproximadamente uniforme:
Donde es el número de espiras por unidad de longitud, medido en [1/m].
El flujo magnético permite describir la cantidad de campo magnético que atraviesa una superficie.
Para un campo uniforme y una superficie plana:
Una variación del flujo magnético que atraviesa una espira produce una fuerza electromotriz inducida.
Para una variación uniforme del flujo en un intervalo de tiempo:
La inducción electromagnética puede producirse cambiando el campo magnético, el área de la espira o su orientación.
La corriente inducida tiene un sentido tal que el campo magnético que genera se opone a la variación del flujo magnético que la produjo.
Para una variación uniforme del flujo:
El signo negativo expresa la ley de Lenz. Esta ley es consecuencia de la conservación de la energía.
Las ecuaciones de Maxwell reúnen las leyes fundamentales de la electricidad y el magnetismo. Sin recurrir al cálculo diferencial ni integral, pueden expresarse conceptualmente de la siguiente manera:
Estas cuatro leyes permiten explicar la existencia de las ondas electromagnéticas, en las cuales los campos eléctrico y magnético varían y se propagan por el espacio.
La luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío con una velocidad aproximada de: