FISICA III

Posted on 8 septiembre, 2010

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FISICA III

FENOMENOS ELECTROTASTICO BASICO ELECTRISACION POR FROTAMIENTO

Aun cuando el electromagnetismo como rama organizada halla surgido en el siglo XIX varios fenómenos relacionado con el se observaron en época bastante posteriores. El filosofo Tales de Mileto 600 años A. C., observo que un pedazo de ámbar que se frotaba con una piel de gato adquiría la propiedad de abstraer cuerpos livianos.

Después de casi 2500 años el ingles Server inspirándose en le nombre Griego del ámbar (electrón) comenzó a usa la palabra como electrizar, electrización, etc. Al refererirse a los cuerpos que se comportaban como el ámbar, después de muchos experimentos observado que podrían aparecer entre los dos cuerpos una fuerza de repulsión en lugar de una fuerza de abstracción.

También se observo que muchos otros cuerpos y no solo una cuanta sustancia tenían comportamiento eléctrico al del ámbar y surgieron varias teorías que trataron de explicar estos fenómenos.

Bufay físico francés dedicado a observar la repulsión eléctrica comprobó que un cuerpo atraído por otro electrizado después de haber entrado en contacto con el también se electrizaba y se producía el rechazo, experimentando con una barra de vidrio frotada con acera y una barra de ámbar frotada con la piel comprobó que el vidrio rechazaba siempre a un grupo de sustancia y el ámbar a otro, pero que una sustancia de un grupo abstraía siempre a una sustancia de otro grupo. Concluyo entonces que había dos tipos de electricidad y la llamo electricidad Vitre (Vidrio) y resinosa (ámbar).

Tiempo después, Franklin formulo una teoría llamada teoría del flujo único por la que explicaba los fenómenos de electrización por un flujo especial, según el cuerpo que no presentaba comportamiento eléctrico llamado cuerpo neutro poseía flujo en condiciones normales pero existía la posibilidad de que un cuerpo recibiera o perdiera cierta cantidad de este flujo al frotarlo con agua. En el primer caso, el cuerpo quedaría en un estado eléctrico llamado positivo, igual que al vidrio frotado con cera, en el segundo caso igual que el del ámbar frotado con piel su estado eléctrico se llamaría negativo, entonces siempre que por frotación un cuerpo se electriza positivamente, el otro se electriza negativamente, pues cuando uno recibiera flujo el otro experimentaría una perdida de flujo igual, existiendo siempre una conservación de flujo y no una creación o destrucción de el.

Franklin, igual que algunos de sus antecesores llego a la conclusión de que la fuerza de los cuerpos electrizados obedecen siempre a la ley citada. Los cuerpos cargados con electricidad del mismo nombre se repelen y los cargados con electricidad contraria se atraen.

CARGA ELECTRICA

Cuando un cuerpo presenta un comportamiento eléctrico decimos que posee carga eléctrica o que es una carga. La concepción moderna de la constitución de la materia conocida a través de los estudios de química admite que todas las materias que están constituidas por átomos que a la vez son aglomeraciones de partículas como son: los electrones, protones y neutrones.

El electrón según se ha comprobado experimentalmente es una partícula que posee comportamiento eléctrico igual al del ámbar frotado con una piel de gato es que posee carga eléctrica negativa, del mismo modo se descubrió que el protón posee que el protón posee carga positiva y el neutrón no tiene un comportamiento eléctrico.

La materia en su estado normal o neutro contiene cantidad igual de dosis eléctrica positiva y negativa cuando ambos cuerpos se frotan entre si una cantidad de electrones de un cuerpo pasa a otro. El cuerpo pierde electrones queda cargado positivamente y el que la adquiere esta cargado negativamente.

Los protones y neutrones del átomo no se desplazan de su posición por simple frotamiento de un cuerpo con otro, en esta forma por frotación solo los electrones pueden cambiarse entre los dos cuerpos. Un átomo normal que no haya sido perturbado es neutro.

Un átomo que pierde electrones se llama ión positivo y uno que lo gana ión negativo, el proceso de ganar o perder electrones se llama ionización.

La corriente eléctrica: es un flujo de electrones a través de un conductor.
Fenómenos Eléctricos: son los efectos producidos en la naturaleza por los electrones.
La electrostática: es el estudio de las cargas eléctricas en reposo.
La electrocinética: es el estudio de las cargas eléctricas en movimiento y las propiedades de los circuitos eléctricos por los que circulan dichas corrientes.
Electromagnetismo: es la parte de la electricidad que estudia las relaciones entre las cargas eléctricas y los fenómenos magnéticos.

CONDUCTORES Y AISLADORES

Como hemos visto algunos científicos que hay posibilidad de que cualquier sustancia se electrizara por medio de la frotación y solamente el ámbar como se suponía en la época de Tales, de hecho esto se comprueba al realizar experimentos plásticos, ebonita, nylon, pero si tratamos de cargar una barra metaliza frotándola con una sustancia cualquiera no conseguiremos nuestro objetivo al menos que la tengamos tomada por una punta de plástico. Ej. Tomemos un electroscopio (aparato que nos permitirá comprobar si un cuerpo esta o no cargado), el electroscopio mas sencillo se llama péndulo eléctrico, si acercamos un cuerpo a este péndulo es cargado y atrae la esfera que cuelga, concluimos que el cuerpo esta cargado (un cuerpo liviano es atraído por otro electrizado).

Consideremos ahora, que una regla de plástico cargada que coloquemos bastante alejada de la austerita del péndulo de modo que no sea atraído por este:

Interponiendo entre la regla y la esfera una barra metálica con apoyo en plástico o goma de dos figuras con apoyo de una aislante veremos que la esfera es atraída por el extremo de la barra metálica.
Si sustituimos la barra metálica por una barra de goma, veremos que el péndulo prende verticalmente indicando que no existe atracción.
Aparentemente la barra metálica transporta los efectos eléctricos a través de ella y la goma no, decimos que el metal es conductor de electricidad y que la goma es un aislante o dieléctrico.

La separación entre las clases de los conductores y la de los aisladores es graduar yendo desde bueno conductores hasta los metales, el carbono y algunos minerales hasta aislante como el ámbar, el plástico, etc. Los semiconductores que ocupa una posición intermedia como la madera, la atmósfera húmeda, etc.

Cuando un cuerpo metálico esta cargado se distribuye en todas las superficies del cuerpo, pero si este no estuviera soportado por un material aislante la carga escaparía a la tierra. Por otra parte, cuando un aislante esta cargado, la carga se mantiene estática en el mismo lugar donde se cargo. Ej. Una barra de ebonito frotado en una de sus puntas presenta efecto eléctrico solamente en esa punta.

La conducción de electricidad a través de los metales sólido se explica por el hecho de que sus átomos presentan electrones libres o electrones que temporalmente no están sujeto a un núcleo determinado. En los aislantes, los electrones están sujeto a los núcleos y solo con dificultad podrán desprenderse lo que determina la habilidad de un material para conducir la electricidad es el No. y la movilidad de los electrones libres, si las fuerzas actúan sobre los electrones de un grande y consiguen liberarlo del átomo el aislante se transforma en un conductor.

En dos conductores metálicos son siempre los electrones que se mueven, las cargas positivas se mantienen fija al núcleo, cuando un gran núcleo de electrones se moviliza en forma organizada y ne una dirección tenemos una corriente eléctrica en el conductor, esta es la corriente común que se encuentra en una lámpara o conductor.

Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con la tierra por medio de un conductor pierde su carga, si su carga era negativa, permite que el exceso de sus electrones escape del cuerpo a la tierra a través del conductor, si el cuerpo estuviera cargado positivamente los electrones será atraído por el pasado de la tierra del cuerpo hasta que quede completamente neutro, se suele decir que la carga del cuerpo escapo hacia la tierra, pero en realidad la carga positiva quedo estática. La tierra actúa como si fuera un enorme manantial de electrones de modo que su situación eléctrica no se afecta con la perdida o la recepción de algunos electrones, si en lugar de conectar la tierra un cuerpo cargado los unimos a un objeto grande dimensiones se producirá el mismo efecto pues la distribución de carga entre el cuerpo y el objeto grande hará que el cuerpo prácticamente se descargue.

LEY DE CHARLES COULOMB

La fuerza f de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) entre ellas; es decir: F = 1/r2; F = Q1Q2/r2.

Ley Puntual o Pontiforme: es la que esta distribuida en un cuerpo cuyas dimensiones son despreciables en comparación con las demás dimensiones que intervienen en el problema.
K = Coeficiente de proporcionalidad
F = K Q/d2/q
Newton
F = KMxm/d2

PROBLEMAS

1. ¿Cual debe ser la magnitud de un campo eléctrico E tal que un electrón, colocado en este campo, experimente una fuerza eléctrica igual a su peso en las vecindades de la superficie terrestre?
2. ¿Cuáles son las magnitudes y la dirección de un campo eléctrico que contrarreste el pase de (a) un electrón y (b) una partícula alfa?
3. Sobre una partícula de carga 2.0 x 10-9C actúa una fuerza eléctrica hacia debajo de 3.0 x 10-6N en un campo eléctrico uniforme. a) ¿Cuál es la magnitud del campo eléctrico? b) ¿Cuál es la magnitud y la dirección de la fuerza eléctrica ejercida sobre un protón colocado en este campo? c) ¿Cuál es la fuerza gravitacional sobre el protón? d) ¿Cuál es en este caso la relación de la fuerza eléctrica a la fuerza gravitacional?
4. Dos cargas iguales y opuestas de magnitud 2.0 x 10-7C están separadas 15 cm. a) ¿Cuál es la magnitud y la dirección de E en un punto que se encuentra a la mitad del camino entre las dos cargas? b) ¿Qué fuerza (magnitud y dirección) actuaría sobre un electrón colocado en este punto?
5. Dos cargas puntuales de magnitud +2.0 x 10-7C y +8.5 x 10-8C, se colocan a una distancia de 12 cm. a) ¿Cuál es el campo eléctrico que cada una de estas cargas produce en el sitio donde esta colocada la otra carga? b) ¿Cuál es la fuerza que actúa sobre cada una de ellas?
6. En cada uno de los vértices de un triangulo equilátero de lado a (20 cm.) se coloca a un electrón. a) ¿Cuál es el campo eléctrico en el punto medio de uno de los lados? b) ¿Qué fuerza experimentaría otro electrón colocado en ese punto?
7. ¿Cuál es la fuerza repulsiva coulombiana que existe entre dos protones en un núcleo de hierro?
8. La distancia de separación r entre el electrón y el protón en el átomo de hidrogeno es de aproximadamente 5.3 x 10-11m. ¿Cuáles son las magnitudes de a) la fuerza eléctrica y b) la fuerza gravitacional entre estas dos partículas?
9. ¿Qué separación debe haber entre dos protones para que su fuerza eléctrica repulsiva sea igual a su peso sobre la superficie de la tierra?
10. Una carga de +3.0 x 10-6C se encuentra a 12 cm. de una segunda carga puntual de -1.5 x 10-6C. Calcular la magnitud y la dirección de la fuerza que actúa sobre cada carga.

PROBLEMAS

1. La siguiente figura muestra tres cargas Q1, Q2 y Q3. ¿Cuál es la fuerza que actúa sobre Q1? Suponga que Q1 = -1 x 10-6C, Q2 = +3.0 x 10-6C, Q3 = -2.0 x 10-6C, R12 = 15 cm., R13 = 10 cm. y  = 30º.
2. Una barra cargada atrae pequeñas partículas de polvo de corcho seco y después de tocarla, estos frecuentemente se separan de ella con violencia. Explique este comportamiento.
3. Si una barra de vidrio cargada se mantiene cerca del extremo de una barra metálica descargada, tal los electrones son atraídos hacia una orilla. ¿A que se debe que cese el flujo de electrones? Existe un suministro casi indefinido de ellos en la barra metálica.
4. ¿Por qué no funcionan bien los experimentos de electrostática en los días húmedos?
5. Una persona colocada sobre un banquillo aislado toca un conductor cargado y aislado. ¿Se descarga completamente el conductor?
6. a) Una barra de vidrio cargada positivamente atrae un objeto que se encuentra suspendido. ¿Se puede concluir que ese objeto esta cargado negativamente? b) Una barra de vidrio cargada positivamente repele a un objeto suspendido. ¿Se puede concluir que ese objeto esta cargado positivamente?

Considere tres cargas puntuales localizadas en las esquinas de un triangulo, como se muestra en la siguiente figura, donde Q1 = Q3 = 5.0C, Q2 = -2.0 C, y a = 0.10cm. Encuentre la fuerza resultante sobre Q2.

CAMPO MAGNETICO

El campo magnético

Con el fin de describir cualquier tipo de campo, debemos definir su magnitud, o intensidad y su dirección. La dirección del campo magnético b en cualquier posición esta en la dirección hacia la cual apunta el polo norte de aguja de un brújula en esa posición.

Podemos definir un campo magnético b en algún punto el espacio en términos de la fuerza magnética ejercida sobre un objeto de prueba apropiado. Nuestro objeto de prueba es una partícula cargada que se mueve con una velocidad v. Por ahora, supongamos que no hay campos eléctrico o gravitacional en la región de la carga. Los experimentos acerca del movimiento de diversas partículas cargadas en un campo magnético brindan los siguientes resultados:

 La magnitud de la fuerza magnética es proporcional a la carga q y a la velocidad v de la partícula.
 La magnitud y dirección de la fuerza magnética depende de la velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo magnético.
 Cuando la partícula cargada se mueve paralela al vector de campo magnético, la fuerza magnética sobre la carga es cero.
 Cuando el vector velocidad forma un ángulo  con el campo magnético, la fuerza magnética actúa en una dirección perpendicular tanto a v como a b; es decir, f es perpendicular al plano formado por v y b.
 La fuerza magnética sobre una carga positiva esta en la dirección opuesta a la dirección de la fuerza sobre una carga negativa que se mueve en la misma dirección.
 Si el vector velocidad forma un ángulo  con el campo magnético, la magnitud de la fuerza magnética es proporcional a sen.

Estas observaciones pueden resumirse escribiendo la fuerza magnética en la forma
F = qv x B
La figura repasa la regla de la mano derecha para determinar la dirección del producto cruz v x B. Usted dirige los cuatros dedos de su mano derecha a lo largo de la dirección de V y luego los gira hasta que apunten a lo largo de la dirección de B. El pulgar apunta entonces en la dirección de V x B. Puesto que F = qv x B, F esta en la dirección de v x B si q es positiva, y opuesta a la dirección de v x B si q es negativa. La magnitud de la fuerza magnética tiene el valor:
F =qvB sen
Donde  es el ángulo más pequeño entre v y B. A partir de esta expresión, vemos que F es cero cuando v es paralela a B ( = 0 o 180º) y máxima (Fmáx = qvB) cuando v es perpendicular a B ( = 90º).

Hay varias diferencias importantes entre las fuerzas eléctricas y magnéticas:

 La fuerza eléctrica siempre esta en la dirección del campo eléctrico, en tanto, que la fuerza magnética es perpendicular al campo magnético.
 La fuerza eléctrica actúa sobre una partícula cargada independientemente de la velocidad de la partícula, mientras que la fuerza magnética actúa sobre la partícula cargada solo cuando ésta está en moviendo.
 La fuerza eléctrica efectúa trabajo al desplazar una partícula cargada, en tanto, que la fuerza magnética asociada a un campo magnético estable no trabaja cuando se desplaza una partícula.

Este último enunciado es una consecuencia del hecho de que cuando una carga se mueve en un campo magnético estable la fuerza magnética siempre es perpendicular al desplazamiento. Es decir F x ds = (F x v) dt = 0, debido a que la fuerza magnética es un vector perpendicular a v. A partir de esta propiedad y del teorema del trabajo y la energía, concluimos que la energía cinética de una partícula cargada no puede ser alterada por un campo magnético aislado. En otras palabras, Cuando una carga se mueve con una velocidad v, un campo magnético puede alterar la dirección del vector velocidad, pero no puede cambiar la velocidad de la partícula. Esto significa que un campo magnético estático cambia la dirección de la velocidad pero no afecta la velocidad o la energía cinética de una partícula cargada.

La unida del SI del campo magnético es el Weber por metro cuadrado (Wb/m2) llamada también Tesla (T). Esta unidad puede relacionarse con las unidades fundamentales usando la ecuación: Una carga de 1C que se mueve a través de un campo de 1T con una velocidad de 1m/s perpendicular al campo experimenta una de fuerza de 1N:
[B] = T = Wb/m2 = N/C x m/s = N/A x m

EL CAMPO MAGNETICO

1. Un campo horizontal constante de 0.5T atraviesa una espira rectangular de 120mm de largo y 70mm de ancho.Determine cual será el flujo magnético que atraviesa la espira cuando su plano forma los siguientes ángulos con el campo B.
2. 0o, 30º, 60º, y 90º.

3. Una bobina de alambre de 240mm de diámetro esta colocado de modo que su plano es perpendicular a un campo de 0.3T de densidad. Determine cual es el flujo magnético a través de la boina.

4. Un protón es inyectado de derecha a izquierda en un campo de 0.4T dirigido hacia la parte superior de la página. Si la velocidad del protón es de 2x106m/seg. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza magnética sobre el protón?

5. Una partícula alfa (+2e) se proyecta en un campo magnético de 0.12T con una velocidad de 3.6x106m/s. Cual es la fuerza magnética sobre la carga en el instante en que su velocidad se dirige formando un ángulo de 35º con respecto al flujo magnético.

6. Un alambre largo transporta una corriente de 6A en una dirección de 35º al norte de un campo magnético dirigido con una densidad de flujo de 0.04T ¿Cuales son la magnitud y la dirección de la fuerza que actúa sobre cada cm. de alambre?

7. Un alambre de un metro de longitud transporta una corriente de 5A en una dirección perpendicular a un campo magnético de densidad de flujo de 0.034T ¿Cual es la fuerza magnética del alambre?

8. Una bobina de 300espira que se mueve perpendicularmente al flujo de un campo magnético uniforme experimenta un campo magnético inductivo de 0.23 wb en 0.002seg. ¿Cual es la fem inducida?

9. En el flujo magnético que cruza una espira de alambre se observa un cambio de 5mwb a 2mwb en 0.1seg. ¿Cual es la fem inducida media?

Circuitos de corriente Alternativa.

Es una corriente que varia en dirección a través del tiempo. Esto es una corriente que tiene una forma sinosoidar.

Elementos de un circuito de corriente alterna: Capacitar, Inductor, Resistencia.

 Capacitor: Es un dispositivo electrostático capaz de almacenar cargas.

 Inductor: Es un dispositivo que consta de una espira o bobina continúa del alambre.

 Resistencia: Es un dispositivo que se pone al paso de la corriente directa.

Cuando la corriente que circula por un inductor aumenta e disminuye aparece un Fem.auto inducido que el circuito que se pone el cambio.

Reactancia: Es la oposición que ofrece la bobínale capacitor o la resistencia al paso de la corriente alterna. Esto puede ser inductivo y capacitivo. La realtancia se mide en ohms.

1. Se conecta una bobina de 5mH, a una fuente de corriente alterna de 110v. si la frecuencia es de 60Hz. Calcule a) Reactancia inductiva. b) Corriente alterna.

2. Se conecta un capacitor de 8f a una fuente de 80v y a una frecuencia de 60Hz. Calcule a) Reactancia capacitiva. b) La corriente.

Circuito Inductivo Puro

Es un circuito mediante el cual el voltaje adelanta a la corriente en 90º. Este es un circuito en el que se conectan en serie una bobina y una Fem. variable.

Circuito Capacitivo Puro: Es un circuito en el cual adelanta la corriente voltaje en 90. Es un circuito de capacitor.

Circuito Resistivo Puro: Es un circuito en el cual la corriente y el voltaje esta en face.

Circuito Serie RLC: Es un circuito en el cual se conectan serie de una resistencia una bobina y un capacitor a una Fem variable.

Para determinar el voltaje espica del circuito anterior, debemos desarrollar un método en el cual se tomen en cuenta las diferencias en face. La mejor forma de realizar estos es por medio de un diagrama de vectores llamado diagrama de face. En este método los valores eficaces VR, VL, VC, se grafican como vectores giratorio. La relación de face se expresa en término de ángulo de face , que es una medida del grado de adelanto del voltaje en relación con la corriente en un elemento particular con el circuito.

1. Se conecta en serie una resistencia de 10 ohm, una bobina de 4mh. y un capacitor 8f a una fuente de 120v y una frecuencia de 60Hz. Determine: a) Reactancia Industrial. b) Reactancia Capacitiva. c) Corriente eléctrica. d) Imperancia. e) Angulo de Face.

Un circuito de Ca en serie consta de un resistor de 100, un inductor de 0.2H y un capacitor de 3f conectados a una fuente de ca de 110v, a 60Hz. a) Cual es la reactancia inductiva? b) Cual es la reactancia capacitiva? c)Cual es la impedancia? d)Cual es el ángulo de face ? e)Cual es el factor de potencia? a) 75.4 b) 884 c) 815, d) -83º
c) 12.3%.

Desarrollo

 ¿En cuales principios se basa la física moderna?
 ¿Diferencia entre relatividad y relatividad especial?
 ¿El Átomo de Rutherfor?
 ¿El Átomo de Bohr?
 ¿El Átomo de Hidrogeno?

Resolver

Tres reglas graduadas de un metro pasan en su trayectoria frente a un observador, a velocidades de 0.1C, 0.6C y 0.9C ¿Qué longitudes registraría el observador para cada un de las reglas?

2. La masa en reposo de un electrón 9.1×13-31 kgr. Cual será su masa si el electrón viaja a 0.8C?

Masa y Energía

La Energía Total relativista viene dada por la formula Eo = MoC2

Un electrón es acelerado a una velocidad de 0.7C. ¿Cuál es la energía total?

ELECTROSTATICA.

Es la parte de la física que estudia la electricidad en forma estática.

1. ¿Como conocían los griegos efectos de la Electricidad?
Los griegos conocían los efectos de la electricidad estática cuando se frotaba un trozo de ámbar con la piel tela de lana.

2. ¿Que demostrar las investigaciones sistemática y cuidadosa sobre la electricidad? Que toda la sustancia al ser frotada bajo condiciones adecuada producen electricidad es decir se cargan electricamanete.

3. ¿Que descubrió Charles Francois? Descubrió que hay frotar una barra de vidrio con un trozo de piel, tanto la piel como el vidrio se cargan eléctricamente.Pero la piel repelía objeto que eran atraído por el vidrio.

4. ¿Como palmó Benjamín Franklin los dos tipos de corriente? La llamo convencionalmente positivo a la que aparecen en el primer grupo (Cristal hule etc.) y negativo a la que aparecen en el segundo grupo. (Ámbar, piel, fibras).

5. ¿Que es la electricidad? Es un agente físico que llana la estructura atómica de toda la materia.

6. ¿Que es la carga eléctrica? Es la cantidad de electricidad + y- en un cuerpo, esta es siempre un múltiplo entero de l la carga elementa.

7. ¿Que es la electrostática?

8. ¿Que es la carga eléctrica elemental? Es la cantidad más pequeña, que se presenta de carga elemental y corresponde a la carga de un electrón, su valor de 1.6-19coul. La carga eléctrica del protones la misma que la del electrón pero +.

9. ¿Cuando un cuerpo esta cargado positivamente? Un cuerpo esta cargado + menté cuando esta carga do de cargas +.

10. ¿Cuando esta cargado negativamente? Cuando esta cargado de carga negativa.

11. ¿Cuando un cuerpo esta cargado neutro? Cuando posee la misma cantidad de carga + y -

12. ¿Cuáles son la forma de cargar un cuerpo? a) Por frotación, b) por contacto, c) por Intuccion.

13. ¿Cuando un cuerpo se carga por frotación? Al frotar una barra de vidrio con un trozo de seda. El vidrio pierde electrones, la seda gana electrones.

14. por contacto? Al frotar una barra de plástico con la piel. El plástico gana electrones se carga neg. y la piel cede electrones y se carga +.

15. ¿Por contacto o conducción? Es cuando es tocado por un cuerpo cargado.
16. Si tocamos un cuerpo negativo con un positivo, el neutro se carga positivo, si tocamos un neutro con un negativo el neutro se carga negativo.

17. ¿Cuando un cuerpo se carga por Inducción? Es cuando un cuerpo se carga eléctricamente solamente por la presencia de otro cuerpo cargado sin tocarlo.

18. ¿Qué es la inducción Eléctrica? Es la separación de carga en un conductor producida por el acercamientote un cuerpo cargado.

19. ¿Qué es la polarizacion? Esta consiste en la orientación y alineación de un dieléctrico al acercársele un cuerpo cargado.

20. ¿Qué es la conservación de la carga? Es la cantidad de carga que se halla dentro de unsistema aislado de forma constante.

21. ¿Qué es la In varianza de una carga? Es la conservación de la carga de una partícula, la cual permanece constante.

22. ¿Qué es la naturaleza cuantizada de una carga? Es la naturaleza del valor del electrón es su unidad fundamental indivisible que corresponde 1.6×10-19 coul

23. ¿Qué es el péndulo Eléctrico? Es un electroscopio usado para saber si un cuerpo esta cargado o no, y determinar el tipo de carga del cuerpo.
24. ¿Qué es el electroscopio de laminilla?

25. ¿Como esta constituida la materia? Por moléculas y átomos (Electrones, Protones, Neutrones.).

26. ¿Como esta constituido los átomos?

27. ¿Qué es la materia ¿Como puede ser? y Como se presenta> Es todo lo que ocupa un lugar en el espacio. Solido, liquido, gaseoso y plasma. Simple y compuesta.

28. ¿Qué es un elemento? Es una sustancia simple formada por una sola clase de materia. Ej. Oxigeno

29. ¿Qué es un compuesto? Es una sustancia formada por diferente tipo de Elemento. Ej. Agua, sol.
30. ¿Qué es un átomo? Es la menor porción de partícula de un elemento que puede obtenerse de la sustancia por procedimiento químico y entrar en combinación.
31. ¿Qué es un electrón?
32. ¿Qué es un protón?
33. ¿Qué es un neuton?
34. ¿Qué es un núcleo Atómico? Es la parte central de un átomo y esta formado por protones y electrones neutrales.
35. ¿Que son las moléculas? Sustancia formada por diferentes Átomo y forman un compuesto.
36. ¿Que son materiales conductores eléctricos?
37. ¿Que son materiales aisladores eléctricos?
38. ¿Que son materiales semiconductores?
39. ¿Por que son importantes los semi conductores?
40. ¿Por que se utilizan losemi conductores? Estos materiales se utilizan para la fabricación de transistores, yodo y circuito integrado diminuto y complicado chip.
41. ¿Que es la ionizacion?
42. ¿Que dice la ley de Coulomb?

INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL VALOR DEL CAMPO MAGNETICO

IMANTACION DE UN MATERIAL:

Cuando un campo magnético actúa en un medio material cualquiera, este medio sufre una modificación, y decimos que se imanta o imana (o bien. se magnetiza). Para comprender en que consiste esta imantación debemos recordar que en el interior de cualquier sustancia existen corrientes eléctricas elementales, constituidas por los movimientos. Estas corrientes elementales, crean pequeñas magnéticas, de manera que cada átomo puede considerarse como un pequeño cuerpo magnetizado, es decir, como un imán elemental.

En el interior de un material en su estado normal (no magnetizado), estos imanes elementales se encuentran orientados enteramente al azar, de manera que los campos magnéticos creados por los átomos de la sustancia tienen a anularse. Siendo nulo el campo magnético resultante establecido por la totalidad de los imanes elementales, la sustancia no presentara ningún efecto magnético.

MATERIALES PARAMAGNETICOS Y DIAMAGNETICOS:

Experimentos realizados por los científicos han demostrado que la presencia de gran parte de la sustancia existente en la naturaleza, provoca una alteración muy pequeña en un campo magnético. Esto se debe a que al ser colocadas en tal campo, dichas sustancias se imantan muy débilmente. Materiales como el papel, el cobre, el aluminio etc; se comportan de tal manera, siendo este el motivo por el cual no podemos construir imanes con ellos. Un análisis más cuidadoso permite comprobar que estas sustancias pueden clasificarse en dos grupos diferentes:

a) SUSTANCIAS PARAMAGNETICAS:

Son las que al ser colocadas en un campo magnético, se imantan de manera que provocan un pequeño aumento en el punto cualquiera. En tales sustancias, los imanes elementales tienden a orientarse en el mismo sitio del campo aplicado, por lo tanto, el campo magnético establecido por ellas tendrá el mismo sentido que tal campo aplicado, haciendo que el campo resultante tenga un valor un poco mayor que el inicial. El aluminio, el magnetismo, el platino, etc; son ejemplos bien conocidos de sustancias paramagnéticas.

b) SUSTANCIAS DIAMAGNETICAS:

Son las que al ser colocadas en un campo magnético sus imágenes elementales se orientan en sentido contrario al del campo aplicado. De modo, que establece un campo magnético en sentido opuesto al de aquel, haciendo que el campo resultante tenga un valor un poco menor que el inicial. Podemos citar como ejemplos típicos de sustancias diamagnéticas a las siguientes: bismuto, cobre, agua, plata, oro, plomo, etc.

MATERIALES FERROMAGNETICOS:

Un pequeño grupo sustancias existentes en la naturaleza, presenta un comportamiento muy diferente al anterior. Estas sustancias, se imantan fuertemente al ser colocadas en un campo magnético, de manera que el campo que establecen es muchas veces mas intenso que el campo aplicado. Puede comprobarse que en virtud de la presencia de una sustancia ferromagnética, el campo resultante puede volverse centenas, e incluso millares, de veces mayor que el campo magnético inicial.

Las sustancias ferromagnéticas son únicamente el hierro, el cobalto y el níquel, así como las aleaciones de estos elementos. Tal propiedad de las sustancias ferromagnéticas es aprovechada para obtener campos magnéticos de valor elevado.

La gran mayoría de las sustancias existentes en la naturaleza son paramagnéticas o diamagnéticas.

HISTERESIS MAGNETICA:

Una sustancia ferromagnéticas se imantan cuando se coloca en un campo magnético. Pero, un hecho muy conocido es que estas sustancias, al ser retiradas del campo magnético, no se desmagnetizan por completo; es decir, presentan cierta imantación aún en ausencia del campo magnético aplicado. Esta propiedad, característica de las sustancias ferromagnéticas de las sustancias ferromagnéticas, se denomina “Histéresis Magnética”.

INDUCCION ELECTROMAGNETICA – ONDAS Y
SISTEMAS DE C. A.

En 1831, Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética, que provoco una verdadera revolución en el estudio del electromagnetismo.

Gracias a este descubrimiento fue posible construir los generadores eléctricos, maquinas cuyo funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, y que transforman energía mecánica, Ej. una caída de agua, en energía eléctrica.

LEY DE FARADAY (Inducción electromagnética)

Siempre que se produzca una variación de flujo magnético a través de un circuito, aparecerá en el mismo una f.e.m. inducida. El valor de dicha f.e.m., e, esta dado por:

e = 

 T
Donde  es la variación observada en el intervalo de tiempo.

LEY DE LENZ

La corriente inducida electromagnética en un circuito aparece siempre con un sentido tal que el campo magnético que produce tiende a la variación de los flujos magnéticos que atraviesa dicho circuito.

EL TRANSFORMADOR

En muchas instalaciones eléctricas, e incluso en las de las casa, muchas veces hay necesidad de aumentar o disminuir el voltaje que proporciona la compañía suministradora de electricidad. El dispositivo que permite resolver este problema se denomina Transformador Eléctrico.
Este esta constituido por una pieza de hierro, denominada núcleo del transformador, alrededor de la cual se colocan dos bobinas. A una de tales bobinas se le aplica el voltaje v1, que deseamos transformar, es decir, que se quiere aumentar o disminuir. Esta bobina se denomina enrollamiento primario, o simplemente, primario del transformador. Como veremos luego, otro voltaje v2, después de la transformación, se establecerá entre los terminales de la otra bobina, la cual recibe el nombre de enrollamiento secundario, o simplemente secundario, del transformador.
V2 = N2

V1 N1

Si un campo magnético existente en cierta región del espacio, surge una variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región, un campo eléctrico inducido.

ONDA ELECTROMAGNETICA

Maxwell mostró, por medio de sus ecuaciones, que esta perturbación electromagnética, al propagarse debería presentar todas las características de un movimiento ondulatorio. Por lo tanto, de acuerdo con Maxwell, dicha radiación electromagnética experimentara reflexión, refracción, difracción e interferencia, exactamente como sucede con todas las ondas. Por este motivo, la perturbación constituida por la propagación de campos eléctricos y magnéticos ha recibido el nombre de onda electromagnética.

VELOCIDAD DE PROPAGACION DE UNA ONDA ELECTROMAGNETICA

Uno de los resultados de mayor repercusión obtenido por Maxwell a partir de sus ecuaciones, fue la determinación del valor de la velocidad de propagación de una onda electromagnética. Sus cálculos demostraron que en el vacío (o aire), esta onda se propaga con una velocidad v que vale:
V = 3.0 x 108 M/S
La importancia de este resultado se debe a que este valor coincidencia con el de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Al calcular la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, Maxwell encontró un resultado igual a la velocidad de la luz. Este hecho lo llevo a sospechar que la luz era una onda electromagnética. Los experimentos de Hertz y otros ulteriores, demostraron que la idea de Maxwell era correcta.

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Desde la época de Maxwell hasta nuestros días se ha producido un gran avance en los conocimientos relacionados con las ondas electromagnéticas. De manera que en la actualidad sabemos que existen varios tipos de estas ondas; las cuales, a pesar de todos de la misma naturaleza (constituida por los campos E y B que oscilan en el tiempo y se propagan en el espacio), presentan en ocasiones características muy diferentes.

En general, los diversos tipos de ondas electromagnéticas difieren en el valor de su frecuencia, y también por la forma en que se producen, como describimos mas adelante.

El conjunto de todos estos tipos de ondas o radiaciones se denomina espectro eléctrico – magnético. Todas las ondas que constituyen esta gama se propagan, en el vacío, con la misma velocidad (V = 3.0 x 108m/s, como ya vimos) y son originadas por la aceleración de una carga eléctrica. Entonces, siempre que una carga eléctrica es acelerada, radia cierto tipo de onda de electromagnética, lo cual depende del valor de la aceleración de la carga.

A continuación examinaremos algunas de las características de cada clase de onda que constituye el espectro electromagnético:

ONDAS DE RADIO:
Son las ondas electromagnéticas que presentan las frecuencias mas bajas hasta de 108 hz. (Hertz), es decir, ¡Cien millones de vibraciones por segundo!

MICROONDAS:
Son frecuencias más elevadas que las de las ondas de radio, se llega a las ondas electromagnéticas. Estas tienen frecuencias comprendidas, aproximadamente, entre 108 hz. y 1012hz.

RADIACION INFRARROJA:
Son ondas electromagnéticas con frecuencias de aproximadamente 1011hz.

RADIACION VISIBLE:
Son ondas cuyas frecuencias están comprendidas entre 4.0 x 1014 hz., y 6.7 x 1014 hz. Constituyen una región del espectro electromagnético que tiene una importancia especial para nosotros.

RADIACION ULTRAVIOLETA:
Son ondas electromagnéticas con frecuencias inmediatamente superiores a las de la región visible.

RAYOS X:
Este tipo de radiación esta constituido por las ondas electromagnéticas de frecuencias superiores a las de la radiación ultravioleta.

RAYOS GAMA (0):
Esta radiación es emitida por los núcleos atómicos de los elementos al desintegrarse.

EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

El establecimiento de la naturaleza electromagnética de la luz se considera unos de los grandes triunfos de la teoría de Maxwell, pues ella unifica la Óptica y el Electromagnetismo, presentándose los fenómenos luminosos como una manifestación del fenómeno electromagnético y la óptica podrá en principio estructurarse a través de las leyes básicas del electromagnetismo.

Maxwell no pudo confirmar experimentalmente todas sus ideas debido a su muerte. A fines del siglo pasado, Heirich Hertz, logro la confirmación experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas (Ondas Hertzianas) con todas las propiedades previstas por Maxwell. Los experimentos de Hertz confirmaron la hipótesis de Maxwell y contribuyeron a establecer definitivamente que la luz es una onda electromagnética.

Actualmente, existen varios tipos de ondas electromagnéticas, que constituyen el denominado espectro electromagnético. Estos son de la misma naturaleza y se propagan en el vacío con la misma velocidad difiriendo solo en el valor de su frecuencia y en la forma de producirla.

En general, las ondas electromagnéticas se originan cargas eléctricas aceleradas y según el valor de su frecuencia reciben denominaciones diferentes.

Mostramos el espectro electromagnético con las denominaciones usuales para cada banda su frecuencia. Estas frecuencias no tienen limite, así las ondas electromagnéticas con frecuencias hasta 108 hertzios se denominan ondas de radios. Estas son usadas por estaciones de radios para realizar transmisiones y son emitidas por electrones acelerados en las emisoras. Las emisiones de TV se hacen con frecuencias más elevadas que las empleadas por estaciones de radios.

Las frecuencias comprendidas entre 108 y 1012 hertzios están constituidas por microondas. Estas son usadas en telecomunicaciones para transportar señales de TV o conversaciones telefónicas.

Las frecuencias comprendidas entre 1011 y 1014 hertzios esta constituida por rayos infra – rojos estas son emitidas por átomos de cuerpos calentado razón por la cual se le denomina calor radiante.

Las frecuencias comprendidas entre 4.0 x 1014 y 6.7 x 1014 hertzios constituyen las ondas estimulantes a la visión humana o región visible del espectro electromagnético. Estas frecuencias nos dan las sensaciones del rojo, pasando enseguida al amarillo, verde, azul y llegando al final al color violeta de la región visible.

Las bandas de ondas de frecuencias más grandes que la del violeta se denominan ultra – violeta. Estas regiones alcanzan frecuencias de hasta 1018 hertzios y son emitidas por muchas especies de átomos excitados. Ej. La lámpara de vapor de mercurio.

Las frecuencias aun mas elevadas que las de las ondas ultra – violeta se denominan Rayos X descubiertos por Wihelm Rontgen en 1895. Estos rayos tienen la propiedad de atravesar materias menos densa (como los músculos de una persona) y ser absorbida por materia de mayor densidad (como los huesos humanos), este hace que ellos se usen ampliamente para obtener radiografía. En la aplicación moderna los rayos X son empleados en todos los campos de la ciencia y la tecnología.

Las ondas electromagnéticas con frecuencia de más altas que los rayos X se denominan rayos Y o Gamma. El estudio de estos rayos constituye un auxilio para determinar la estructura y los niveles de energía en el núcleo de varios átomos.

OSCILACIONES ELECTROMAGNETICAS

Oscilaciones LC

El sistema Lc de la figura 34.1 es semejante a un sistema de una masa y un resorte en que, entre otras cosas, ambos sistemas tienen una frecuencia de oscilación característica. Para ver que esto es cierto en el circuito lc, supongamos que el capacitador c de la figura 34.2 la tiene una carga inicial Qm. y que la energía almacenada en el capacitador queda expresada por la ec. 26 – 16.

34.1 Ue = 1 qm2
2 C

La energía almacenada en el inductor:

34.2 Ub = 1 li2
2

Es cero debido a que la corriente es cero. A continuación, el capacitador se empieza a descargar a través del inductor, de tal forma que los transportamos de cargas positivas se mueven en contra de las manecillas del reloj, tal como se muestra en figura 34.1b. Esto significa que se establece una corriente I, que es de dq/dt y que, en el apunta hacia abajo. A medida que q disminuye, la energía almacenada en el campo eléctrico del capacitor también disminuye. Esta energía se transfiere al campo magnético que aparece en torno al inductor, debido al hecho de que se esta estableciendo una corriente i. Consecuentemente, el campo eléctrico disminuye, se forma el campo magnético y la energía se transmite del primer hacia el ultimo.

Después de cierto tiempo, que corresponde a la figura 34.1c, toda la carga del capacitador ha desaparecido. El campo eléctrico en el capacitor será cero y la energía almacena ahí se ha transferido completamente al campo magnético del inductor. Según la ec. 34.2 debe existir en el inductor una corriente (de hecho de máximo valor). Nótese que aunque q es igual a cero, la corriente (dq/ dt) no es en este momento.

En la figura 34.1 se muestra ocho etapas en un ciclo de oscilación de circuito Lc. Las graficas de barras de cada figura muestran la energía potenciales eléctricas y magnéticas almacenadas. Las flechas verticales en el eje del inductor muestra la corriente.

La gran corriente en el inductor de la figura 34.1c continua el transporte de cargas positivas de la placa superior del capacitador hacia la placa inferior, como se muestra en la figura 34.1b, a medida que el campo eléctrico se vuelve a formar, la energía fluye del inductor hacia el capacitador. Finalmente, la energía se habrá transferido completamente al capacitador, como se muestra en la figura 31.1e. La situación de la figura 34.1e es igual a la situación inicial, excepto en que la cargas del capacitador se ha invertido.

El capacitor empezara a descargarse nuevamente, pero ahora la corriente será en el razonamiento de las manecillas del reloj, como se muestra en la figura 34.1f. Siguiendo el mismo razonamiento anterior, se que el circulo regresara finalmente a su situación inicial y que el proceso continua como una frecuencia definida y (medida por ejemplo, en Ciclo/S) a la cual corresponde una frecuencia angular definida w =2rv y medida, por ejemplo en radianes. Una vez iniciadas, las oscilaciones Lc (en el caso idea descrito, en el que el circuito no tiene resistencia) continúan indefinidamente, produciendo un intercambio de energía entre el campo eléctrico del capacitor y el campo magnético del inductor. Cualquiera de las configuraciones de la figura 34.1 puede considerarse como la condición inicial. Las oscilaciones continuaran a partir de ese punto, siguiendo el proceso descrito por la figura al recogerla a favor de las manecillas del reloj. Comparar cuidadosamente estas oscilaciones con aquellas del sistema de una masa y un resorte descrito en la figura 7.4. Para medir la carga q en función del tiempo, puede medirse la diferencia de potencial Vc (t) que a través del capacitar c. La relación:

Vc = (1)
(c) q

Demuestra que Vc es proporcional a q. Para medir la corriente puede intercalarse una pequeña resistencia R en el circuito y medirse la diferencia de potencial a través de ella. Esta diferencia es proporcional a i y se obtiene de la relación:
Vr = (R) i
En este caso se supone que R es lo suficientemente pequeña como para que su efecto en el comportamiento del circuito sea ignorable. Tanto q como i, o más correctamente Vc y Vr, a los cuales son proporcionales, pueden exhibirse en un osciloscopio de rayos catódicos. Este instrumento puede trazar automáticamente en su pantalla las graficas proporcionales a q (t) y a i (t).

PROBLEMAS

1. Un capacitor de 1.0f se carga 50V. La batería de carga se desconecta y se conecta una bobina de 10mH a través de capacitor de tal forma que ocurren oscilaciones LC. ¿Cuál es la máxima corriente en la bobina?
2. Un circuito LC oscilante tiene una inductancia L = 10mH y una capacitancia c = 1.0f. ¿Cuál es la frecuencia de oscilación?
b) Calcular la máxima corriente en la bobina si el voltaje máximo a través del capacitor es de 100V.
3. En un circuito LC oscilante. ¿Qué valor de la carga expresada en términos de la carga máxima, tiene el capacitor cuando la energía esta compartida en partes iguales entre el campo eléctrico y el campo magnético?
4. Determinar la capacitancia de un circuito LC si la carga máxima del capacitor es de 1.0 x 10-6C y la energía total es de 1.4 x 10-4J.
5. Un circuito LC tiene una inductancia L = 3.0mH y una capacitancia C = 10f a) Calcular la frecuencia angular w de oscilación. b) Determinar el periodo T de oscilación.
6. Encontrar la energía almacenada en un capacitor de 1.0f que se ha cargado a 300v.
7. Una inductancia de 1.5mH en un circuito LC almacena una máxima energía de 1.0 x 10-5J. ¿Cuál es la corriente pico?
8. En un circuito LC oscilante, L = 1.0x 10-3H, C = 4.0 x 10-6F y la carga máxima en C es 3.0 x 10-6C. Determinar la corriente máxima.
9. Un circuito LC oscilante consta de un capacitor de 0.0010 f y de una bobina de 3.0mH y transporta un voltaje de pico de 3.0V. a) ¿Cuál es la máxima energía almacenada en el campo magnético de la bobina?
b) ¿Cuál es la máxima carga en el capacitor?
c) ¿Cuál es la corriente de pico a través del circuito?

1) Un electrón es acelerado a una velocidad de 0.7c. Cual es la energía total?

ENERGIA CINETICA RELATIVA.
Ec = (m-mo)c2.
Cual es la masa de un electrón que viaja a una velocidad de 2x108m/s? La masa en reposo de un electrón es 9.1×10-31kgr. Cual es la energía total del electrón? Cual es su energía cinética relativista/

FOTONES ELECTRONES Y ATOMOS.
Maxwell y Joule y otros establecieron con sertesa que la luz es una onda electromagnética.

La interferencia, difracción y polizacion, también de muestran esta naturaleza ondulatoria de la luz. Sin embargo, cuando examinado con mas atención. La emisión absorción y dispersión de la radiación electromagnética, descubrimos un aspecto totalmente distinto de la luz. Vemos que la energía de una onda electromagnética esta cuantizada, se emite y absorbe en forma de paquete semejante a partícula de energía definida llamada fotones o cuantos. La energía de un foton aislado es proporcional a la frecuencia de radiación. También la energía interna de los átomos esta cuantizada.
Para una determinada clases de átomos individual, la energía no puede tener un valor cualquiera solo son posible valores directo, llamados niveles de energía. El estudios de fotones y se niveles de energía nos llevan al umbral de la mecánica cuantiíta, que implica tener algunos cambio radicales en nuestras ideas sobre la naturaleza de la radiación electromagnética y de la materia misma..
E.fotoelat. Es la emisión de electrones cuando la luz choca con una superficie, para escapar de una superficie el electrón debe absorber energía suficiente de la radiación incidente para superar la abstracción de los quienes positivos del material de la superficie.
La candida mínima de energía que debe ganar un electrón para escapar de determinada superficie se llama función de trabajo para esa superficie y se representa por O/-, función de trabajo.
Einsten demostró que la energía cinética máxima para un electrón emitido es kmax—1/2mv2max—hr-o. Pero esta energía cinética máxima es mayor igual que la energía potencial eléctrica kmax-vcv cv—hr-o, cv—1.6×10-19joule, A0—10-10m(Antron).
Encuentre la longitud de onda y frecuencia de un foton de mil electrón voltio.

Al realizar un experimento de efecto fotoeléctrico con luz de cierta frecuencia, usted encuentra que se requiere un diferencia de potencial inverso de 1.25v para reducir la corriente a0–. Calcular la energía cinética máxima, la velocidad máxima de los fotoelectrones emitidos.
DISPERSION DE COMPTON.
Un fenómeno llamado dispersión de compton, explicado por primera vez por el físico Estadounidense Arthor H. Compton proporciona una confirmación adicional y directa de la naturaleza cuantiíta de los rayos x.
Cuando esos rayos chocan con la materia, algo de su radiación se dispersa, del mismo modo que la luz sufre que cae sobre una superficie áspera y sufre una reflexión difusa. Compton y otra persona descubrieron que algo de esa radiación dispersada tiene menor frecuencia (mayor longitud de onda) que la radiación incidente y que el cambio de la longitud de onda depende del ángulo en el que se dispersa la radiación en forma especifica, la radiación dispersada sale formando un ángulo o con la radiación incidente y si x yx1 son la longitudes de onda de la radiación incidente y de la dispersada, respectivamente, se demuestra que x1-x—h/mc (1-cos o)

Un rayo x de longitud de onda de 0.3Ao ex peri menta una dispersión Compton de 600 encuentre la longitud de onda del foton.

ONDAS Y PARTICULAS

La radiación electromagnética tiene un carácter dual en su interacción con la materia alguna veces escribe propiedades de onda, como se demostró con la interferencia y difracción, otra veces, como el efecto eléctrico se comporta como partícula a la que ha llamado fotones. En 1924 Louis De Broglie demostró experimentalmente que todo los objetos tiene longitudes de onda relacionada con su cantidad de movimiento, ya sea que los objetos presenten característica de ondas y de partícula.
x—h/mv.
Encuentre la longitud de onda De Broglie de una bolita de 0.01kgr que tiene una velocidad de 10m/s.

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Posted in: Fisica III