Electromagnetísmo

Efectos electromagnéticos

El efecto de carga tiene que ver con el error en la medición de un determinado parámetro cuando se emplea un determinado instrumento que modifica el sistema a medir. Ejemplos clásicos son las impedancias internas de los equipos electrónicos, así como una resistencia en paralelo cuando se mide con un voltímetro.

Un caso particular del efecto de carga es el análisis de la regulación de una fuente:

El efecto de carga, también conocido como regulación, es la pérdida de tensión a medida que disminuye la carga; este efecto viene dado por la relación:

donde :

• : Tensión o voltaje de salida de la fuente.
• : Tensión o voltaje en la carga.
• : Resistencia interna de la fuente.
• : Resistencia de carga.

En física, el efecto Doppler relativista es el cambio observado en la frecuencia de la luzprocedente de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador. El efecto Doppler relativista es distinto del efecto Doppler de otro tipo de ondas como el sonido debido a que lavelocidad de la luz es constante para cualquier observador independientemente de su estado de movimiento. A su vez, requiere para su explicación el manejo de la teoría de la relatividad especial.

Demostración de la aberración de la luz y el efecto Doppler relativista.

El cambio en frecuencia observado cuando la fuente se aleja viene dado por la siguiente expresión:

,

donde:

 = frecuencia observada,

 = frecuencia emitida,

 = velocidad relativa, positiva cuando el emisor y el observador se alejan entre sí,

 = velocidad de la luz

El efecto Doppler relativista no difiere del efecto Doppler normal a velocidades de desplazamiento muy inferiores a las de la luz. Pero a diferencia del efecto Doppler clásico, cuando el objeto se mueve con respecto del emisor en una dirección diferente a la de unión entre ambos se puede definir un efecto Doppler transverso y un efecto Doppler lateral.

efecto doppler .- .....................................................................:http://www.relatividad.org/bhole/doppler.htm

Desplazamiento Doppler Relativista El desplazamiento Doppler normal para las ondas de sonido, que se mueven con velocidades v mucho menor que c, viene dada por la expresión donde se toma el signo más, para las ondas que viajan alejándose del observador. Para la luz y otras ondas electromagnéticas, la relación debe ser modificada para ser compatible con la transformación de Lorentz, y se convierte en la expresión Aquí v es la velocidad relativa de fuente y observador y se considera positiva cuando la fuente se está acercando. Derivación Calcular Límite de velocidad bajo (v/c pequeño)

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Efecto Doppler, Ondas Electromagnéticas El efecto Doppler se observa con la luz visible y todas las demás ondas electromagnéticas. Exactamente igual que en el caso de las ondas sonoras, la longitud de onda en la dirección del movimiento de la fuente es acortada a donde todas las cantidades aquí medidas están en el marco de referencia del observador. Para relacionar esto con la frecuencia de la fuente, se debe usar la expresión del término de la dilatación del tiempo Esto se usa para obtener lafrecuencia. Efecto Doppler Relativista Calcular

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Variación de la Longitud de Onda Fraccional Con propósitos de determinar la velocidad de recesión de estrellas y galaxias con el efecto Doppler, por observación del desplazamiento al rojo de las líneas espectrales, es conveniente expresar el efecto Doppler en términos del desplazamiento en la longitud de onda, comparada con la longitud de onda de la fuente. Para estos propósitos en la fórmula de la longitud de onda, es mas conveniente definir una velocidad de recesión positiva: La variación de longitud de onda fraccional, se define con el parámetro z, el cual caracteriza los desplazamientos al rojo: En términos de los habituales símbolos de relatividad, esto se convierte en Derivación Calcular

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Frecuencia Doppler A partir del desplazamiento Doppler de la longitud de onda, la frecuencia observada es Reagrupando da la forma adecuada de donde la velocida relativa vs es positiva si la fuente se acerca y negativa si se aleja. En términos de los habituales símbolos de relatividad, esto se convierte en Efecto Doppler Relativista Calcular Comparación con el Sonido Aproximación para Bajas Velocidades

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Se conoce como efecto Hall a la aparición, en el interior de un conductor por el que circula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas, de un campo eléctrico por separación de cargas, que también es perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado y que se denomina campo Hall. Lleva el nombre de su primer modelador, el físico estadounidense Edwin Herbert Hall (1855-1938).

En épocas contemporáneas (1985) el físico alemán Klaus von Klitzing y sus colaboradores descubrieron el hoy conocido como efecto Hall cuántico, lo que les valió la obtención del premio Nobel de Física en 1985. En 1998, se otorgó un nuevo premio Nobel de Física a los profesores Laughlin, Strömer y Tsui por el descubrimiento de un nuevo fluido cuántico con excitaciones de carga fraccionarias. Este nuevo efecto ha traído grandes problemas a los físicos teóricos y actualmente constituye uno de los campos de investigación de mayor interés y actualidad en toda la física del estado sólido.

Explicación cualitativa del efecto Hall clásico

Cuando por un material conductor o semiconductor, circula una corriente eléctrica, y estando este mismo material en el seno de un campo magnético, se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material, esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor, apareciendo así un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería (). Este campo eléctrico es el denominado campo Hall (), y ligado a él aparece la tensión Hall, que se puede medir mediante el voltímetro de la figura.

En el caso de la figura, se tiene una barra de un material desconocido y se quiere saber cuales son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería se hace circular por la barra una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, se introduce la barra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta.

Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la barra, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la barra. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo la dirección del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, se puede deducir si los portadores de carga de la barra de material desconocido son las cargas positivas o las negativas.

En la figura de al lado se ve como el material tiene dos zonas: la de la izquierda y la de la derecha. En una zona, los portadores son huecos y en la otra electrones.

Explicación cuantitativa del efecto Hall clásico

Sea el material por el que circula la corriente con una velocidad v al que se le aplica un campo magnético B. Al aparecer una fuerza magnética , los portadores de carga se agrupan en una región del material, ocasionando la aparición de una tensión  y por lo tanto de un campo eléctrico E en la misma dirección. Este campo ocasiona a su vez la aparición de una fuerza eléctrica  de dirección contraria a .

La física clásica del efecto Hall

Se sabe que un campo magnético actúa sobre las cargas en movimiento (fuerza de Lorentz).

Una corriente I que atraviesa un material consiste en cargas (electrones) que se desplazan (en dirección contraria a la corriente) con una velocidad que se denomina v. Si se sumerge esa corriente de electrones en un campo magnético B, cada uno de los electrones que forman la corriente estará sometidos a la fuerza de Lorenz F_m = -e.v^B (como en el dibujo se cambió la dirección de v, ya que se está considerando un electrón, no debería considerarse el signo negativo de la carga). Donde -ecorresponde a la carga de un electrón, v el vector velocidad del electrón y B el vector campo magnético aplicado.

La dirección de la fuerza será perpendicular al plano formado por v y B (ya que es resultado del producto vectorial de ambos) y provocará un desplazamiento de electrones en esa dirección.

Como consecuencia se tendrá una concentración de cargas negativas sobre uno de los lados del material y un déficit de cargas negativas en el lado opuesto. Esta distribución de cargas genera una diferencia de potencial entre ambos lados, la tensión de Hall V_H, y un campo eléctrico E_H.

Este campo eléctrico que genera a su vez una fuerza eléctrica sobre los electrones dada por la ley de Coulomb, F_e = -e . E_H, que actúa en dirección contraria que la fuerza de Lorentz. El equilibrio se alcanzará cuando la suma de las dos, de lo cual se deduce que en el equilibrio el valor del campo Hall es: E_H = -v^B.

Técnicas de medición

Sin duda, la técnica de medición más utilizada para la determinación de los portadores de carga y resistividad en un semiconductor es la técnica de Van Der Paw. Es conocida también como técnica de cuatro puntas.

Aplicación del efecto Hall

Los sensores de Efecto Hall permiten medir :

• la movilidad de una partícula cargada eléctricamente (electrones, lagunas, etc);
• los campos magnéticos (teslámetros);
• la intensidad de corrientes eléctricas (sensores de corriente de efecto Hall);
• también permiten la elaboración de sensores o detectores de posición sin contacto, utilizados particularmente en el automóvil, para detectar la posición de un árbol giratorio (árbol de levas, caja de cambios, paliers, etc.);
• se encuentran también sensores de efecto Hall bajo las teclas de los teclados de los instrumentos de música modernos (órganos, órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales;
• se encuentran sensores de efecto Hall en el codificador de un motor de CD;
• los motores de Efecto Hall (HET) son aceleradores de plasma de gran eficacia.

Diagrama del efecto Hall, mostrando el flujo de electrones. (en vez de la corriente convencional).
Leyenda:
1. Electrones
2. Sensor o sonda Hall
3. Imanes
4. Campo magnético
5. Fuente de energía
Descripción
En la imagen A, una carga negativa aparece en el borde superior del sensor Hall (simbolizada con el color azul), y una positiva en el borde inferior (color rojo). En B y C, el campo eléctrico o el magnético están invertidos, causando que la polaridad se invierta. Invertir tanto la corriente como el campo magnético (imagen D) causa que la sonda asuma de nuevo una carga negativa en la esquina superior.

EFECTO HALL
El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza magnética ejercida sobre ellas es perpendicular al campo magnético y a su velocidad (ley de la fuerza de Lorentz), las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall (VH).  Edwin Hall (1835 - 1938) descubrió en 1879 el efecto, que, entre otras muchas aplicaciones, contribuyó a establecer, diez años antes del  descubrimiento del electrón, el hecho de que las partículas circulan por un conductor metálico tienen carga negativa.       A la izquierda se muestra un dispositivo experimental destinado a medir el voltaje Hall. Sobre una corriente eléctrica actúa un imán que produce un campo magnético (B). La fuerza magnética (Fm)  desvía a las cargas móviles hacia uno de los lados del cable, lo que implica que dicho lado queda con carga de ese signo y el opuesto queda con carga del signo contrario. En consecuencia, entre ambos se establece un campo eléctrico y su correspondiente diferencia de potencial o voltaje Hall. La obtención experimental del voltaje Hall, permite deducir la velocidad de los portadores de carga y su concentración, puesto que, desde que se alcanza la situación estacionaria, la fuerza eléctrica ejercida sobre cada carga (Fe = q·E) se equilibra con la fuerza magnética  [Fm = q·(v x B)]. De ello se deduce  (consultar documento vinculado) que el voltaje Hall es directamente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético y es inversamente proporcional al número de portadores por unidad de volumen. Por lo tanto, con un sensor de efecto Hall, se puede determinar la fuerza que ejerce un campo magnético si se conoce la corriente a la que se aplica dicho campo, y viceversa.   Si ambos (la fuerza del campo magnético y la corriente) son conocidos, entonces el sensor Hall se puede usar como detector de metales o, más en general, como detector de componentes magnéticos diversos. Así se encuentra este tipo de sensores en circuitos integrados, en impresoras láser, en disqueteras de ordenador, en motores de corriente continua, etc.  La imagen animada adjunta (fuente: Wikipedia) representa un tacómetro formado por un sensor de efecto Hall al que activan dos imanes (cuando cualquiera de ellos se enfrenta al sensor Hall, produce en él un impulso eléctrico).       Otra aplicación interesante del efecto Hall es la posibilidad de determinar la velocidad de circulación del flujo sanguíneo, así como la concentración de iones en la sangre. Al aplicar a la corriente sanguínea que fluye por una arteria un campo magnético transversal, el voltaje Hall producido depende de dicha velocidad.