Fisica

Átomo










Representación de un átomo de helio.


El átomo es un constituyente de la materia ordinaria, con propiedades químicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes más elementales sin propiedades químicas bien definidas. Cada elemento químico está formado por átomos del mismo tipo (con la misma estructura electrónica básica), y que no es posible dividir mediante procesos químicos.


Actualmente se conoce que el átomo está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se había pensado que los átomos eran indivisibles, de ahí su nombre a-tómo- 'sin división'. Poco después se descubrió que también el núcleo está formado por partes, como los protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros.nota 1 Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética.


Los átomos se clasifican de acuerdo al número de protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones determina su isótopo. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.
Evolución del modelo atómico







Los elementos básicos de la materia son tres.







Cuadro general de las partículas, quarks y leptones.







Tamaño relativo de las diferentes partículas atómicas.


La concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. A continuación se hará una exposición de los modelos atómicos propuestos por los científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de reseña histórica.
Modelo de Dalton


Artículo principal: Modelo atómico de John Dalton


Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1803 por John Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas esferas.19 Este primer modelo atómico postulaba:
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas.
Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.


Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o protones(p+).









Diferencia entre los bariones y los mesones.







Diferencia entre fermiones y bosones.

Modelo de Thomson


Artículo principal: Modelo atómico de Thomson







Modelo atómico de Thomson.


Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thomson, se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-pudding model) o uvas en gelatina. Posteriormente Jean Perrin propuso un modelo modificado a partir del de Thomson donde las «pasas» (electrones) se situaban en la parte exterior del «pastel» (la carga positiva).


Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones.
Modelo de Rutherford


Artículo principal: Modelo atómico de Rutherford







Modelo atómico de Rutherford.


Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no científico.


Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.


Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford presentaba varias incongruencias:
Contradecía las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, las cuales estaban muy comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy brevemente.
No explicaba los espectros atómicos.
Modelo de Bohr


Artículo principal: Modelo atómico de Bohr







Modelo atómico de Bohr.


Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado porAlbert Einstein.


«El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien definidas». Las órbitas están cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas órbitas)
Cada órbita tiene una energía asociada. La más externa es la de mayor energía.
Los electrones no radian energía (luz) mientras permanezcan en órbitas estables.
Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación (luz).


El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectro de emisión del hidrógeno. Pero solo la luz de este elemento. Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz, el fotón es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un pulso de energía radiada.


Bohr no pudo explicar la existencia de órbitas estables y para la condición de cuantización.


Bohr encontró que el momento angular del electrón es h/2π por un método que no puede justificar.
Modelo de Schrödinger


Artículo principal: Modelo atómico de Schrödinger







Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.


Después de que Louis-Victor de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.


En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo. En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.
Modelo de Dirac


Artículo principal: Modelo atómico de Dirac


El modelo de Dirac usa supuestos muy similares al modelo de Schrödinger aunque su punto de partida es una ecuación relativista para la función de onda, la ecuación de Dirac. El modelo de Dirac permite incorporar de manera más natural el espín del electrón. Predice niveles energéticos similares al modelo de Schrödinger proporcionando las correcciones relativistas adecuadas.
Modelos posteriores


Tras el establecimiento de la ecuación de Dirac, la teoría cuántica evolucionó hasta convertirse propiamente en una teoría cuántica de campos. Los modelos surgidos a partir de los años 1960 y 1970 permitieron construir teorías de las interacciones de los nucleones. La vieja teoría atómica quedó confinada a la explicación de la estructura electrónica que sigue siendo explicada de manera adecuada mediante el modelo de Dirac complementado con correcciones surgidas de la electrodinámica cuántica. Debido a la complicación de las interacciones fuertes sólo existen modelos aproximados de la estructura del núcleo atómico. Entre los modelos que tratan de dar cuenta de la estructura del núcleo atómico están el modelo de la gota líquida y el modelo de capas.


Posteriormente, a partir de los años 1960 y 1970, aparecieron evidencias experimentales y modelos teóricos que sugerían que los propios nucleones (neutrones, protones) y mesones (piones) que constituyen el núcleo atómico estarían formados por constituyentes fermiónicos más elementales denominados quarks. La interacción fuerte entre quarks entraña problemas matemáticos complicados, algunos aún no resueltos de manera exacta. En cualquier caso lo que se conoce hoy en día deja claro que la estructura del núcleo atómico y de las propias partículas que forman el núcleo son mucho más complicadas que la estructura electrónica de los átomos. Dado que las propiedades químicas dependen exclusivamente de las propiedades de la estructura electrónica, se considera que las teorías actuales explican satisfactoriamente las propiedades químicas de la materia, cuyo estudio fue el origen del estudio de la estructura atómica.




Teoría de la relatividad










Dibujo artístico sobre la teoría de la relatividad


La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial y como a la relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.


La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento.


La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana, aunque coincide numéricamente con ella paracampos gravitatorios débiles y "pequeñas" velocidades. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.


No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados públicamente los manuscritos originales de Einstein por parte de la Academia Israelí de Ciencias, aunque la teoría se había publicado en 1905. El manuscrito contiene 46 páginas de textos y fórmulas matemáticas redactadas a mano, y fue donado por Einstein a la Universidad Hebrea de Jerusalén en 1925 con motivo de su inauguración.
Relatividad general










Esquema bidimensional de la curvatura del espacio-tiempo (cuatro dimensiones) generada por una masa esférica.


La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, y fue presentada como conferencia en la Academia de Ciencias Prusiana el 25 de noviembre. La teoría generaliza elprincipio de relatividad de Einstein para un observador arbitrario. Esto implica que las ecuaciones de la teoría deben tener una forma de covariancia más general que lacovariancia de Lorentz usada en la teoría de la relatividad especial. Además de esto, la teoría de la relatividad general propone que la propia geometría del espacio-tiempo se ve afectada por la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo gravitatorio. De hecho la teoría de la relatividad general predice que el espacio-tiempo no será plano en presencia de materia y que la curvatura del espacio-tiempo será percibida como un campo gravitatorio.


Debe notarse que el matemático alemán David Hilbert escribió e hizo públicas las ecuaciones de la covarianza antes que Einstein. Ello resultó en no pocas acusaciones de plagio contra Einstein, pero probablemente sea más, porque es una teoría (o perspectiva) geométrica. La misma postula que la presencia de masa o energía «curva» al espacio-tiempo, y esta curvatura afecta la trayectoria de los cuerpos móviles e incluso la trayectoria de la luz.


Einstein expresó el propósito de la teoría de la relatividad general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante cosmológica a sus ecuaciones de campo para este propósito. Este punto de contacto real de la influencia de Ernst Mach fue claramente identificado en 1918, cuando Einstein distingue lo que él bautizó como el principio de Mach (los efectos inerciales se derivan de la interacción de los cuerpos) del principio de la relatividad general, que se interpreta ahora como el principio de covarianza general.







LA TEORÍA DEL CAOS:

DEFINICIÓN Y EJEMPLO






Popularmente, se le llama Teoría del Caos a la rama de las ciencias exactas, principalmente física y matemáticas, que trata sobre comportamientos impredecibles en sistemas dinámicos (sistemas complejos que cambian o evolucionan con el estado del tiempo).






La Teoría del Caos plantea que el mundo no sigue un patrón fijo y previsible, sino que se comporta de manera caótica y que sus procesos y comportamiento dependen, en gran manera, de circunstancias inciertas. Esto plantea que una pequeña variación en el sistema o en un punto del mismo puede provocar que en un lapso de tiempo a futuro éste presente un comportamiento completamente diferente e impredecible. No es propiamente una teoría, sino un gran campo de investigación abierto que abarca numerosas líneas de pensamiento.



De acuerdo a su definición, los sistemas dinámicos se clasifican básicamente en 3 tipos:
Estables
Inestables
Caóticos

Los sistemas estables tienden a un punto a lo largo del tiempo o siguen una misma órbita, sus ecuaciones características, condiciones iniciales, sus límites, elementos y relaciones nos permiten conocer su evolución a través del tiempo, es decir, sabemos hacia donde lo dirige su atractor.






Los sistemas inestables, en cambio, no se guían por atractores, se escapan de éstos y no tienden hacia un punto.




En los sistemas caóticos de pueden conocer sus ecuaciones y sus condiciones iniciales fijas, sin embargo la mas mínima variación provoca una evolución radical en su comportamiento. Uno de los más citados ejemplos de sistema caótico es el clima atmosférico del cual podemos predecir su comportamiento y elaborar pronósticos en base a ecuaciones, estudios de su comportamiento pasado y el conocimiento de sus condiciones iniciales, sin embargo no podemos conocer con exactitud los parámetros que fijan sus condiciones iniciales y ésto provoca que “aunque se conozca el modelo, éste diverja de la realidad pasado un cierto tiempo”. Así mismo, nuestro pronóstico puede verse afectado por variaciones dentro del sistema atmosférico como la actividad humana, actividad volcánica o incluso fuera de éste como la actividad solar.





Un sistema debe presentar las siguientes propiedades para ser considerado caótico:
Sensibilidad a las condiciones iniciales
Debe ser transitivo
Sus órbitas periódicas deben formar un conjunto denso en una región compacta del espacio fisico.


EL EFECTO MARIPOSA


El “efecto mariposa” es un concepto que hace referencia a la noción del tiempo a las condiciones iniciales dentro del marco de la teoría del caos. La idea es que, dadas unas condiciones iniciales de un determinado sistema caótico, la más mínima variación en ellas puede provocar que el sistema evolucione en formas completamente diferentes. Sucediendo así que, una pequeña perturbación inicial, mediante un proceso de amplificación, podrá generar un efecto considerablemente grande a mediano o corto plazo de tiempo.






Un ejemplo claro sobre el efecto mariposa es soltar una pelota justo sobre la arista del tejado de una casa varias veces; pequeñas desviaciones en la posición inicial pueden hacer que la pelota caiga por uno de los lados del tejado o por el otro, conduciendo a trayectorias de caída y posiciones de reposo final completamente diferentes. Cambios minúsculos que conducen a resultados totalmente divergentes.


Su nombre proviene de las frases: “el aleteo de las alas de una mariposa se puede sentir al otro lado del mundo” (proverbio chino) o “el aleteo de las alas de una mariposa pueden provocar un Tsunami al otro lado del mundo” así como también “El simple aleteo de una mariposa puede cambiar el mundo”.

Fisica

¿Qué es la luz?

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.



Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).









La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia como puede verse en el siguiente diagrama:









La LUZ es la radiación visible del espectro electromagnético que podemos captar con nuestros ojos.















2) Algunas propiedades de la luz

La luz presenta tres propiedades características:




Se propaga en línea recta.






Se refleja cuando llega a una superficie reflectante.






Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro (se refracta).












2.1.- La luz se propaga en línea recta

La luz se propaga en línea recta. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor).

Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.

ONDAS DE REFLEXIÓN










La reflexión de una onda es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) se produce también reflexión en la que se transmite de vuelta parte de la energía a las partículas del medio incidente.












En la figura adjunta se representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con un cierto ángulo i de incidencia (se mide con respecto a la dirección normal, N) De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y según transcurre el tiempo y el frente AB va incidiendo, repiten este comportamiento todos los puntos de la superficie comprendidos entre A y C. El frente de ondas reflejado, DC, es el envolvente de las ondas secundarias que se han ido emitiendo durante un tiempo igual al periodo desde el tramo AC de la pared.













El video adjunto fue filmado por estudiantes en el laboratorio, usando la cubeta de ondas. Con una regla generaron un frente de ondas plano para observar su reflexión sobre una superficie plana. Como se ve la pérdida de energía que tiene lugar en el rebote es considerable. No obstante se aprecia bastante bien la igualdad entre el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión.













Aplicando leyes de geometría elemental al proceso, se llega a la conclusión de que el ángulo de incidencia i es igual al ángulo de reflexión r (ley de la reflexión) Puedes consultar la deducción de esta ley en el documento vinculado.







ONDAS DE REFRACCIÓN







La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que experimenta cuando pasa de un medio a otro distinto. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios.













En la figura adjunta se representa la refracción de una onda plana desde un medio 1 a otro medio 2, suponiendo que la velocidad de propagación es menor en el segundo medio que en el primero. A medida que el frente de ondas AB va incidiendo en la superficie de separación, los puntos AC de esa superficie se convierten en focos secundarios y transmiten la vibración hacia el segundo medio. Debido a que la velocidad en el segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N.

Mediante un razonamiento similar se comprueba que la desviación de la dirección de propagación tiene lugar en sentido contrario cuando la onda viaja de un medio donde su velocidad de propagación es menor a otro en el que es mayor.




















Publicado por alma lizbeth juárez salgado en 18:55 No hay comentarios: 






























ONDAS TRANSVERSALES







Cuando una cuerda tensa se pulsa o se roza la perturbación resultante se propaga a lo largo de ella. Dicha perturbación consiste en la variación de la forma de la cuerda a partir de su estado de equilibrio: los segmentos de la cuerda se mueven en una dirección perpendicular a la cuerda y por tanto perpendicularmente a la dirección de propagación de la perturbación. Una onda en la que la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación se denomina onda transversal.



























Supón que produces una onda en una cuerda agitando el extremo libre hacia arriba y hacia abajo. En este caso el movimiento de la cuerda es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Cuando el movimiento del medio (en este caso, la cuerda) es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda, decimos que se trata de una onda transversal.

Las ondas que se producen en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales y en las superficies de los líquidos son transversales.

También las ondas electromagnéticas que constituyen las ondas de radio y la luz son transversales.
















ONDAS LONGITUDINALES







Las ondas en las que la perturbación es paralela a la dirección de propagación se denominan longitudinales. Un ejemplo muy importante lo constituyen las ondas sonoras propagándose en cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Durante la propagación de la onda, las moléculas del medio oscilan en la dirección de propagación.















































No todas las ondas son transversales. En ciertos casos las partículas del medio se mueven de un lado a otro en la misma dirección en la que se propaga la onda. Las partículas se mueven a lo largo de la dirección de la onda en vez de hacerlo en sentido perpendicular. Una onda de este tipo es una onda longitudinal.

Las ondas sonoras son ondas longitudinales













Ondas y sonido










Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.

Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:

Ondas Longitudinales:




Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.






El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.

Otro ejemplo de onda longitudinal es aquella que se produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una perturbación que se propaga en círculos concéntricos que, al cabo del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.

Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles.Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.









Características generales o elementos de las ondas

Tren de ondas: Todas las ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se coloca un vagon tras otro.












Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.












Elongación: Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.

Cresta, monte o pico: es el punto más alto de una onda

Valle: Es el punto más bajo de una onda.












Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibracion completa, se mide en segundos o s/ciclo se representa con una T mayúscula.












Notemos que el periodo (T) es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.

Amplitud (A) : Es la maxima separacion de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.












La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle.

Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.












Frecuencia: Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas.

Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda.

Velocidad de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.

Se indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ).

Matemáticamente se expresa así:



por lo tanto



fórmula que nos indica que la longitud de onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la otra.




Periodo: Es el tiempo (en segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación completa al paso de una onda. Se abrevia con la letra (T).




La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la fórmula



Volvamos a la fórmula



para reemplazar en ella f (frecuencia), y nos queda la fórmula



Lo cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la longitud (λ) y el periodo (en segundos) de una onda.

Como vemos, podemos relacionar estas magnitudes y conociendo los valores de algunas de ellas podemos determinar los valores de las otras, usando las fórmulas indicadas.




Para ejercitar la materia desarrollemos algunos problemas





Problema 1

El edificio Platinum, ubicado en Santiago, se mece con una frecuencia aproximada a 0,10 Hz. ¿Cuál es el periodo de la vibración?

Datos:

Frecuencia f = 0,10 Hz

Fórmula:



Reemplazamos los valores



Calculamos Tseg



Respuesta:

El periodo (intervalo de duración entre dos crestas de una onda) es de 10 segundos.







Problema 2

Una ola en el océano tiene una longitud de 10 m. Una onda pasa por una determinada posición fija cada 2 s. ¿Cuál es la velocidad de la onda?

Datos:

Longitud (λ) = 10 m

Periodo (Tseg) = 2 seg

Velocidad (V) = ¿

Fórmula:





Reemplazamos valores



Respuesta:

La velocidad de una onda de 10 metros que pasa por una posición fija cada 2 segundos es de 5 m/s




Problema 3

Ondas de agua en un plato poco profundo tienen 6 cm de longitud. En un punto, las ondas oscilan hacia arriba y hacia abajo a una razón de 4,8 oscilaciones por segundo. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es el periodo de las ondas?

Datos:

longitud (λ) = 6 cm

frecuencia (f) = 4,8 Hz

Fórmula:



Periodo (T) = ¿

Velocidad (V) = ¿

Para calcular la velocidad (V) necesitamos conocer la longitud (6 cm) y el periodo (T), ya que la fórmula de V es





y la fórmula para determinar el periodo (T) la obtenemos de



reemplazamos valores y queda



entonces



quedará



Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 28,8 cm/s; y el periodo de cada onda es de 0,2083333 seg.

Problema 4

Ondas de agua en un lago viajan 4,4 m en 1,8 s. El periodo de oscilación es de 1,2 s. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es la longitud de onda de las ondas?

Datos:

Distancia recorrida por las ondas: 4,4 m

Tiempo en recorrer esa distancia: 1,8 seg

Periodo: 12,2 seg

Primero calculamos la velocidad



Ahora, calculamos la frecuencia (f)









Luego, calculamos la longitud de onda (l)



Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 2,4444 m/s; y la longitud de cada onda es de 2,9333 m







Problema 5

Calcular la longitud de onda de una nota musical con una frecuencia de 261 Hz.

Considerando que la velocidad de propagación del sonido en el aire a 15° C es de 340 m/seg, entonces se tiene,

v = 340 m/seg ; f =261 Hz ; por lo tanto la longitud de onda es,









El efecto Doppler




Cuando una fuente de sonido se acerca o aleja de un observador, el tono del sonido percibido varía. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler y fue explicado por primera vez en 1842 por el físico austriaco Christian Doppler (1803-1853).

Tomemos por ejemplo la sirena de una ambulancia. Cuando se acerca, las ondas sonoras que se propagan hacia delante están más apretadas, y llegan a nuestros oídos con más frecuencia y la sirena tiene un tono más agudo. Cuando se aleja, las ondas que se propagan hacia atrás están mas separadas, de frecuencia más baja y el sonido es más grave. Cuanto mayor es la velocidad de la fuente de sonido mayor es el cambio de frecuencia.






Ondas estacionarias

Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda y velocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio se forman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una pared el extremo de una cuerda y se agita el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared y vuelven en sentido opuesto. Esta onda tiene la misma frecuencia y longitud de onda que la onda original. Con determinada frecuencias las dos ondas, propagándose en sentidos contrarios interfieren para producir una onda estacionaria.

Estas ondas están caracterizadas por la aparición de puntos en reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria máxima (vientre). Esto es posible observarlo en las cuerdas vibrantes, como en las cuerdas de guitarra, y en los tubos sonoros.

Las ondas estacionarias no son ondas viajeras sino los distintos modos de vibración de una cuerda, una membrana, aire en un tubo, etc.

Cuerdas vibrantes

Una cuerda, tendida entre dos puntos fijos, es susceptible de emitir un sonido gracias a sus vibraciones. La nota producida por una cuerda vendrá determinada por la longitud (L), la tensión (T), la densidad (d) y la sección (S). Así, si disponemos de una cuerda muy tensa y fina, obtendremos una nota aguda; y por el contrario, si la cuerda está poco tensa y es gruesa, la nota será grave.

La frecuencia se puede encontrar a partir de la fórmula:



Resonancia

La frecuencia a la que un objeto vibra de manera natural se llama su frecuencia de resonancia, si un sonido que posea esa frecuencia se emite en las proximidades de un objeto, este capta la energía de la onda sonora y vibra de manera natural produciéndose la resonancia.

Cuando la música suena alta en una habitación, determinadas notas harán que resuene un objeto situado cerca de los parlantes. Una copa de cristal se puede romper si un cantante es capaz de emitir un sonido de frecuencia igual a la frecuencia natural de la copa.

En resumen, un cuerpo vibra por resonancia cuando llegan a él vibraciones de frecuencia igual a la propia vibración del cuerpo.

Espectro sonoro, Infrasonido y Ultrasonido

No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia están comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz, pudiendo variar de una persona a otra. A las perturbaciones de frecuencia inferior a los 20 Hz se les denomina infrasonidos y a las que la tienen rango superior a 20.000 Hz, ultrasonido. Tanto el infrasonido como el ultrasonido no son perceptibles por el oído humano.







El infrasonido es el tipo de onda generada por grandes fuentes sonoras, como es el caso de los terremotos y volcanes, así como por maquinarias muy pesadas. Se ha comprobado que este tipo de onda puede provocar movimiento e irritación de los órganos internos del cuerpo.

El ultrasonido tiene muchas aplicaciones en diferentes campos de la física, la química, la tecnología y la medicina.

Se utiliza a menudo en medicina porque, a diferencia de los rayos X, las ondas ultrasónicas no perjudican a los tejidos humanos. La ecografía se basa en la emisión de dichas ondas a través de la piel hacia los órganos en exploración, estos las reflejan y los ecos son recogidos por un escáner que forma en ellos una imagen sobre una pantalla.

El ultrasonido también es utilizado en la medición de profundidades marítimas, para localizar cardúmenes, con lo que resulta una excelente ayuda para la pesca, así como para detectar barcos hundidos y submarinos. Se le utiliza además en la industria para le detección de grietas en los metales, por medio de la diferencia en los ecos reflejados en la grieta.

Otro tipo de aplicación de las ondas ultrasonoras es la de matar microorganismos; al enfocar sobre ellos un haz ultrasónico, los hace entrar en rapidísima vibración, con lo cual mueren.

Existen animales capaces de emitir ondas ultrasonoras: Los delfines, por medio de fuertes chasquidos que rebotan en los objetos produciendo ecos, pueden localizar peces y otros objetos submarinos. Los murciélagos son capaces de viajar y detectar obstáculos por medio de las ondas ultrasónicas que son capaces de emitir y percibir.

Procesos termodinámicos

¨Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

¨Procesos isotérmicos

¨Procesos isobáricos

¨Procesos isócoricos

¨Procesos adiabáticos

Procesos isotérmicos

¨En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.

¨De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

¨Q = ∆U +W.

¨Como ∆U = 0, entonces,

¨ Q = W

EJEMPLO:

¨Ebullición del agua

 En una vasija con agua que tiene un termómetro y se encuentra sobre una cocinilla encendida, se puede observar que una vez alcanzada la temperatura de ebullición ésta se mantiene constante aunque el agua continúa recibiendo calor de la cocinilla.

FUISION DE HIELO:

¨ Se coloca hielo en una vasija que contiene agua. Se observa que la temperatura del agua alcanza 0º C. Esta temperatura se mantiene constante durante el proceso de fusión del hielo.

PROCESO ISOBÁRICO

La presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema. 

¨De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos: 

¨ Q = ∆U +W 

¨Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

EJEMPLO:

El proceso térmico que se desarrolla en una olla presión de uso doméstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a través de la válvula, corresponde a un proceso a volumen constante

PROCESO ISOCÓRICO

¨Es un proceso o en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: ΔW = PΔV 

¨Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. 

¨ Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura, Q = nCVΔT donde CV es el calor específico molar a volumen constante.

EJEMPLO: 

¨La ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. En el punto de ebullición, la temperatura del agua no aumenta con la adición de calor, en lugar de esto, hay un cambio de fase de agua a vapor.

PROCESO ADIABÁTICO

¨Sistema que (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno.
¨ El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Q= ∆U +W
¨Como Q =0, entonces, ∆U = -W.

EJEMPLO:

¨Dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.

¨INFLADOR  DE CAUCHOS DE BICICLETA 

 La compresión de un inflador de bicicleta es un proceso que se realiza con rapidez, por lo cual no se produce intercambio de calor con el medio y por lo tanto puede ser considerado un proceso adiabático. La comprensión adiabática hace que el gas contenido en el inflador se caliente.

domingo, 8 de diciembre de 2013

IMANES

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) oartificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporalno conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

TIPOS DE IMANES.

Según su origen:

IMANES NATURALES: se refiere a minerales naturales, los cuales tienen la propiedad de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc.

La magnetita es un imán de este tipo, compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en atraer fragmentos de hierro natural.

IMANES ARTIFICIALES: esta denominación recae sobre aquellos cuerpos magnéticos que, tras friccionarlos con magnetita se transforman de manera artificial en imanes.

Según la perduración de sus propiedades magnéticas.

IMANES TEMPORALES: los imanes temporales están conformados por hierro dulce y se caracterizan por poseer una atracción magnética de corta duración.

IMANES PERMANENTES: con este término se alude a aquellos imanes constituidos por acero, los cuales conservan la propiedad magnética por un tiempo perdurable.

IMANES CERÁMICOS O FERRITAS. Esta clase de imanes tiene un aspecto liso y color grisáceo. Suelen ser de los más utilizados debido a su maleabilidad. Aunque, por otro lado, al ser frágiles, corren el riesgo de romperse con facilidad.

IMANES DE ALNICO: el nombre deriva de una contracción de las palabras: aluminio, níquel y cobalto, elementos de los que se compone. Esta clase de imanes presentan un buen comportamiento frente a la presencia de altas temperaturas, sin embargo, no cuentan con considerable fuerza.

IMANES DE TIERRAS RARAS: esta clase de imanes se subdividen en dos categorías de acuerdo al material químico del que se compone:

Neodimio: están formados por hierro, neodimio y boro. Presentan una oxidación fácil, y se utilizan en aquellos casos donde las temperaturas no alcanzan los 80º C.

Samario cobalto: no suelen oxidarse de manera fácil, aunque el precio al que cotizan es muy elevado.

IMANES FLEXIBLES: como su nombre lo indica, estos imanes poseen una gran flexibilidad. Están compuestos por partículas magnéticas como el estroncio y el hierro. Las desventajas de los imanes flexibles son la baja resistencia a la oxidación y su escasa potencia magnética.

ELECTROIMÁN

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

En 1819, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una brújula. Basado en sus observaciones, el físico estadounidense Joseph Henry inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético oferromagnético (normalmente hierro dulce o ferrita, aunque también se utiliza el llamadoacero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección del campo magnético B, el pulgar indica la dirección de la corriente I. El lado del electro imán del que salen las líneas de campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general son indeseables, puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia de si mismo.

Electroimán e imán permanente

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo.

Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material, llamadas dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno, llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curiereorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.

En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.

IMANES NATURALES:

Tienen la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer hierros es natural & no es influida por los seres humanos.

Están compuestos por el oxido de hierro son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita , hoy sabemos que es hierro cristalino Fe3O4. Pero también la Tierra es un imán natural.

PROPIEDADES

Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen. Compruébalo.

LEYES MAGNÉTICAS

Así como un conductor al que se le hace pasar corriente genera un campo magnético, del mismo modo un imán puede generar una corriente eléctrica. Este fenómeno no se conoce como inducción electromagnética y se estudia a través de las leyes de Faraday y Lenz.

Faraday descubrió que se producen corrientes eléctricas cuando el efecto magnético cambia. Cuanto mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que se induzca en el alambre conductor. La corriente eléctrica generada por el efecto de un campo magnético variable se denomina corriente inducida.

Si a una espira que esta conectada a un medidor de corriente eléctrica, como un galvanómetro, se le acerca o aleja un imán el galvanómetro indicara una lectura positiva o negativa de acuerdo con el movimiento del imán Los mismo sucede si el imán se queda quieto y la bobina se mueve. Pero si deja de moverse alguno, el galvanómetro no indica ningún valor. Se dice que se induce una fuerza electromotriz (FEM), que será mas intensa al avanzar o mover mas rápido el imán hacia el conductor, el conductor hacia el imán o ambos.

LINEAS DE FUERZA MAGNÉTICA

Deseasen hace un siglo el inglés Michael Faraday estudio los efectos producidos por los imanes. Observo que un imán permanente y crece la fuerza sobre un trozo de hierro o sobre cualquier imán cercano, debido a la presencia de un campo de fuerzas cuyos efectos se pueden sentir a través del espacio vacío. Faraday imaginó que un imán salían y lo hacen crisis parecían, a éstos los llamó líneas de fuerza magnética. Estas líneas encuentran los polos pues ahí es mayor la intensidad. Estas líneas esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur.

LEY DE LOS POLOS

Esta ley también es conocida como: " la ley de Faraday ", la cual enuncia lo siguiente:

“Polos opuestos se atraen, polos iguales se rechazan”

Lo que nos da a entender, es que si ponemos, polo positivo con polo positivo se rechazarán, sin embargo si ponemos polo negativo con polo positivo se atraerán.

LEY DE COULOMB

" La fuerza atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa"

Esto quiere decir que si la distancia entre dos objetos cargados se reduce la mitad, la fuerza de atracción o repulsión entre ellos se cuadruplicará.

TEORÍA MOLECULAR DEL MAGNETISMO

Esta teoría es la de Weber que dice que las moléculas de las sustancias magnéticas son pequeños imanes que, cuando están en estado natural, se encuentran en desorden, sin manifestar ningún magnetismo, pero que al imantarse se orientan en la dirección norte - sur.

COMPORTAMIENTO MAGNÉTICO DE LOS MATERIALES

Ferromagnéticos.- son los materiales por los cuales las líneas de flujo magnético fluyen con mayor facilidad a través del cuerpo que por el vacío. Este material se magnetizará con gran intensidad. Su permeabilidad magnética será muy elevada y quedará comprendido desde algunos cientos a miles de veces la permeabilidad del vacío. Ejemplos: hierro, cobalto, níkel, así como sus aleaciones.

Paramagnéticos.- son los materiales por los cuales las líneas del flujo más lo que pasan con más libertad que a través del vacío. Este material se magnetiza, aunque no en forma muy intensa. Su permeabilidad magnética es ligeramente mayor que la del vacío. Ejemplos: aluminio, litio, platino, iridio y cloruro férrico.

Diamagnético.- este tipo de material hace que las líneas de flujo magnético circulen más fácilmente en el vacío que por el cuerpo. Este material no se magnetiza y puede ser repelido débilmente por un campo magnético intenso. Su permeabilidad magnética relativa es menor a la unidad. Ejemplos: el cobre, plata, oro, mercurio y bismuto.

PERMEABILIDAD MAGNÉTICA E INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO

Permeabilidad magnética: fenómeno presente en algunos materiales, como hierro dulce, en los cuales las líneas de fuerza de un campo magnético pasan con mayor facilidad a través del material de hierro que por el aire o el vacío. Esto provoca que cuando material permeable se colocan un campo magnético, concentre un mayor número de líneas de flujo por unidad diaria y aumente el valor de la densidad del flujo magnético.

La permeabilidad magnética de diferentes medios se representa con la letra griega (mu). La permeabilidad magnética del vacío para fines prácticos se considera igual a la permeabilidad del aire.

La permeabilidad atlética del vacío 0 tiene un valor en el SI de:

0 = 4 x 10-7 Wb/Am = 4 x 10-7 Tm/A

En el caso de aquellas sustancias que prácticamente no se imantan, el valor de su permeabilidad relativa es menor de 1. Los materiales que sin ser ferromagnéticos logran imantar tienen permeabilidad relativa ligeramente mayor a la unidad.

INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO

Para un allegado, el rector intensidad del campo magnético es el cociente que resulta de la densidad del flujo magnético entre la permeabilidad magnética del medio:

H= B por lo tanto B = H

Donde: H = intensidad del campo magnético para un medio dado, se mide en A/M.

B = densidad del flujo magnético, se expresa en teslas (T)

= permeabilidad magnética del medio, sumida es el tesla metro/A

INDUCCION MAGNÉTICA

Si un gran número de dominios se orientan en esa dirección, el material mostrará fuertes propiedades magnéticas.

Esta teoría explica muchos efectos magnéticos observados en la materia. Por ejemplo, una barra de hierro no magnetizada se puede trasformar en un imán simplemente sosteniendo otro imán cerca de ella.

DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO

El concepto propuesto por Faraday acerca de las líneas de fuerza, es imaginario, pero resulta muy útil para dibujar los campos magnéticos y cuantificar sus efectos.

Una sola línea de fuerza equivale a la unidad del flujo magnético en el sistema CGS y recibe el nombre de Maxwell. Esta unidad es muy pequeña, por lo tanto en el SI se utiliza el weber.

1 weber = 1x108 maxwells

Un flujo magnético que atraviesa perpendicularmente una unidad de área A recibe el nombre de densidad de flujo magnético o inducción magnética.

Por definición: la densidad del flujo magnético en una región de un campo magnético equivale al número de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente ala unidad de área. Matemáticamente se expresa:

B = por lo tanto = BA

A

B = Densidad del flujo magnético

= Flujo magnético

A = área sobre la que actúa el flujo magnético.

LEY DE LENZ

El fisico ruso Heinrich Lenz (1804-1865) enunció una ley sobre inducción magnética que lleva su nombre:

Siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce.

De acuerdo con la ley, el sentido de la corriente inducida es contrario ante la corriente requerida para provocar el movimiento del campo magnético que la ha engendrado.

LEY DE FARADAY

Con base en sus experimentos, Faraday enuncia la ley del electromagnetismo: la fem inducida en los circuitos formados por un conductor, una bobina es directamente proporcional al número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo.

Esta ley se expresa matemáticamente como:

E = - f - i

T

Donde E = fem media

f = flujo magnético final

i = flujo magnético inicial

T = tiempo en que se realiza la variación de flujo en segundos

MOTOR ELÉCTRICO

El motor eléctrico es un aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor de corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán pronto a circular una corriente eléctrica en la bobina, esta adquiere un campo magnético y actúa con un imán, por tanto, es desplazada en movimientos de rotación, debido a la fuerza que hay entre los campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes principales: electro imán pues suele ser fijo y el circuito eléctrico que puede girar alrededor de un eje.

TRANSFORMADOR

El transformador funciona por inducción magnética. Utiliza corriente alterna. Como ya sabemos este tipo de corriente pueda aumentar o disminuir su voltaje fácilmente mediante un transformador. Éste eleva el voltaje de la corriente en las plantas generadoras de energía eléctrica y después lo reduce en los centros de consumo.

El principio del transformador se basa en inducción mutua.

GENERADOR ELECTRICO

El generador eléctrico es un aparato transformador energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado base de electro imanes e imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotación, los alambres conductores cortan las líneas de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fem.

En la mayoría de los generadores de la corriente continua el inductor que produce el campo magnético es fijo y el inducido móvil.

BOBINA

Existen dos tipos de bobinas:

Bobina primaria: es la que está conectada a la fuente de voltaje de CA.

Bobina Secundaria: aquella donde la corriente es inducida.

Una bobina es un alambre enrollado en forma de espiral.

ECUACIÓN DEL ESTADO GASEOSO Y GASES IDEALES:
Es un gas hipotético que permite hacer consideraciones  prácticas que facilitan  los cálculos matemáticos. Se caracteriza por sus moléculas están más separadas unas de otras, razón por la cual carece de forma.
Ocupan un volumen del recipiente que lo contiene y sumamente posibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.



Se le supone contenido a un número de moléculas, por tanto, su densidad es baja y su atracción intermolecular es nula.



 En un gas ideal el volumen es ocupado por sus moléculas es mínimo en comparación con el volumen total por este motivo no existe atracción entre moléculas. Es evidente en caso de un gas real sus moléculas ocupan un valor  determinado y existe atracción entre las mismas.



ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES IDEALES

Partiendo de la ecuación de estado:

Tenemos que:



Donde «R» es la constante  universal de los gases ideales luego para dos estados del mismo gas, 1y 2.



Para una misma masa gaseosa (por tanto el número de moles «n» es constante), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presión y el volumen del gas e inversamente proporcional a su temperatura.



CARACTERÍSTICAS DE GAS IDEAL

El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas. No hay fuerza de atracción  entre las moléculas. El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas.



No hay fuerza de atracción  entre las moléculas.
Las colisiones son perfectamente elásticas.
Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como los ideales.
El gas ideal, es aquel que cumple estrictamente con las leyes de BOYLER, CHARLES Y GAY LUSSAC.
En un intento de comprender por qué la relación  PV/T, es constante para todos los gases , los científicos crearon un modelo de Gas Ideal; los supuestos relativos a este son:



LA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES


De la ley general de estado gaseoso sabemos que:



O bien:



El valor de  ´´K´´ se encuentra determinado  en función del número de moles (n) del gas en cuestión.



Sustituyendo esta última igualdad en la ecuación anterior tenemos:



En el cual:




Despejando  ´´R´´ de la ecuación B.



Para calcular ´´R´´ consideremos que un mol cualquiera de Gas Ideal en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 273K) ocupa el volumen de 22.413L.

Sustituyendo estos datos en la ecuación C.



PROCESOS TERMODINÁMICOS

Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y relación que se da entre las temperaturas, presión y el volumen es importante en diversos procesos industriales.

TERMODINÁMICA:
También es conocida como el movimiento del calor, en esta rama de la física se estudia la transferencia de calor en trabajo mecánico y viceversa. su principal base es la conservación de la energía.
Nos proporciona una teoría básica que nos sirve para entender y poder diseñar maquinas térmicas (refrigeradores, cohetes, etc.).

SISTEMA TERMODINÁMICO:
Es una parte del universo que se separa con la finalidad poderla estudiar. Para ello se aísla de los alrededores a través de límites o fronteras, de tal manera que todo lo que se encuentra fuera de lo delimitado se denomina alrededores.



a) Frontera:Es el limite que separa al sistema de lo alrededores, casi siempre son paredes que pueden ser diatérmicas o adiabáticas.

b) Pared diatérmicas:Es una conductora de calor, ésta permite el intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores y al revés.

c) Pared adiabática:Es caracterizada por NO permitir la interacción térmica del sistema con los alrededores. Es construida de materiales no conductores del calor como porcelana o asbesto.

d) Equilibrio termodinámico:Se alcanza cuando después de cierto tiempo de poner en contacto un sistema de baja temperatura con otro sistema a mayor temperatura se iguala, por lo tanto existe un intercambio de calor, las propiedades de presión, densidad y temperatura cuando se encuentran en este punto dejan de variar.

e) Energía interna (Ei):Es la energía contenida en el interior de las sustancias. Es la suma de energía cinética y potencial de las moléculas individuales que la forman. La mayoría de las veces se cumple cuanto mayor sea la temperatura de un sistema también lo será su energía interna.
La energía interna se hace presente en las sustancias combustibles y es proporcional a la masa.

EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR:

Fue establecido por un físico ingles llamado James Prescott Joule (1818-1889), es autor de importantes trabajos sobre la TEORÍA MECÁNICA DEL CALOR, a mediados del sigo XIX. Demostró que cierta variación de temperatura indica un cambio de energía interna y aparece que se pierde determinada cantidad de energía molecular.
Después de varios experimentos en los cuales todos los resultados le daban 1J = 0.24 cal o 1 cal = 4.2J, concluyo que la energía mecánica y la energía que causaba la diferencia de temperatura eran equivalentes.



 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Esta ley dice que la variación de la energía interna de un sistema es igual a la energía que transfieren o reciben los alrededores en forma de calor y trabajo, de forma tal que se cumple la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
La primera ley de la termodinámica se muestra matemáticamente de la siguiente manera:



a) Peso termodinámico:Es cuando la temperatura, presión o volumen de un gas varían. Los procesos termodinámicos se clasifican en:

PROCESO ISOTÉRMICO
Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presión o volumen que sufran.
Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691), Físico Químico irlandés conocido por sus experimentos acerca de las propiedades de los gases
y Edme Mariotte (1620-1684), Físico Francés que descubrió la ley que relación la presión y el volumen de los gases a temperatura constante.
Si un proceso isotérmico formado por un gas experimenta una expansión isotérmica, para que la temperatura permanezca constante la cantidad de calor recibido debe ser igual al trabajo que realiza durante la expansión. Pero si presenta una compresión isotérmica, para que la temperatura también permanezca constante el gas tiene que liberar una cantidad de calor igual al trabajo desarrollado sobre él.
La temperatura no cambia, su energía interna (Ei), son constantes y su variación de energía interna (ΔEi) es igual a cero, por lo que se cumple que (Ei es constante) (ΔEi = 0 ) Q=Tr.



PROCESO ISOBÁRICO
Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constante, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión. Este proceso rige por la Ley de Charles: Jackes A. Charles ( 1742-1822). Químico, físico y aeronauta Frances, que fue el primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar la temperatura.
Las ecuaciones para el proceso isobárico son:




PROCESO ISOCÓRICO
Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Ya que la variación del volumen es cero, no se realiza trabajo sobre el sistema ni de éste último de sobre los alrededores, por lo que se cumple Tr = 0 Y ΔEi = Q, esto indica que todo el calor suministrado aumentara en la misma proporción a la energía interna, en general esto se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
Cuando se calientan dos masas iguales de gas, a una presión constante y otra a volumen constante, para que logren el mismo incremento de temperatura se requiere proporcionar mayor calor al sistema a presión constante (Qp>Qv). Ello se debe a que en el proceso isobárico el calor suministrado se usa para aumentar la energía interna y efectuar trabajo, mientras que en el proceso isocórico todo el calor se usa para incrementar exclusivamente la energía interna.

PROCESO ADIABÁTICO
Ocurre cuando el sistema no crea ni recibe calor, cumpliéndose que (Q=0) y ΔEi = -Tr , aun cuando el gas puede presentar expansión o comprensión.
En resumen las condiciones que se tienen que cumplir para los procesos son termodinámicos son:



CALENTAMIENTO POR COMPRESIÓN
Si un gas sufre compresión rápida, disminuye su volumen, se produce calor y se incrementa la temperatura.

EJEMPLOS

ISOBÁRICO: Un dispositivo cilindro émbolo contiene un gas que está inicialmente a 1 Mpa y ocupa 0.020 m3. El gas se expande hasta un volumen final de 0.040 m3. Determine el trabajo obtenido en Kj para un proceso isobárico (a presión constante).



Para calcular el trabajo en procesos a presión constante se utiliza la Ec.
W1-2 = P (V2 – V1) =
Se tienen los volúmenes en metros cúbicos y la presión en unidades de mega pascales, hay que utilizar unidades homogéneas: Conociendo que un Kpa = Kj/ m3, se puede convertir la presión de Mpa a Kpa.
1 Mpa * 1000 Kpa = 1000 Kpa. 1 Mpa
Se sustituye en la Ec.4: W1-2 = P (V2 – V1) = 1000 Kj/ m3 *(0.040 m3 – 0.020 Kj/ m3)
W1-2 = 20Kj

Un gas ideal en el que C v = 5.n.R/2 es trasladado del punto "a" al punto "b" Siguiendo los caminos acb, adb y ab, la presión y el volumen finales son P 2 = 2P 1 y V 2 = 2V 1 . a) Calcular el calor suministrado al gas, en función de n, R y T 1 en cada proceso. b) Cual es la capacidad calorífica en función de R para el proceso ab.



Aplicando el primer principio de la termodinámica podemos escribir:



Para cualquiera de los procesos que hemos de considerar, la variación de energía interna será el mismo puesto que U es una función de estado y solo depende de los puntos inicial y final del proceso. Por tratarse de un gas perfecto, podemos escribir:



Pero, de la ecuación de los gases perfectos, obtenemos:



por lo que, sustituyendo:



Calculamos el trabajo en cada uno de los procesos:





En el caso de W ab no conocemos el tipo de proceso que sigue el gas, pero podemos ver que el trabajo vendrá dado por:



Obtenidos todos los datos necesarios podemos calcular el calor suministrado al gas en cada uno de los procesos:



Finalmente, la capacidad calorífica para el proceso ab será, en realidad, la capacidad calorífica media que podemos calcular mediante:



Un sistema cerrado, inicialmente en reposo sobre la tierra, es sometido a un proceso en el que recibe una transferencia neta de energía por trabajo igual a 200KJ. Durante este proceso hay una transferencia neta de energía por calor desde el sistema al entorno de 30KJ. Al final del proceso el sistema tiene una velocidad de 60m/s y una altura de 60m. La masa del sistema es 25Kg, y la aceleración local de la gravedad es g=9,8m/s2. Determinar el cambio de energía interna del sistema para el proceso.






MOVIMIENTO ONDULATORIO

En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.
La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo  \psi(\vec{r},t) . Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas:

\nabla^2 \psi (\vec{r},t) = \frac{1}{v^2} {\partial^2 \psi \over\partial t^2}(\vec{r},t)

donde v es la velocidad de propagación de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presión de un medio, llamadas sonido, verifican la ecuación anterior, aunque algunas ecuaciones no lineales también tienen soluciones ondulatorias, por ejemplo, un solitón.

ELEMENTOS DE UNA ONDA

Cresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo.
Período (T): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.
Amplitud (A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.
Frecuencia (f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado.
T = \frac{1}{f}

Valle: Es el punto más bajo de una onda.
Longitud de onda (\lambda): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.
Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
Elongación (x): es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.
Ciclo: es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.
Velocidad de propagación (v): es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.
v = \frac{\lambda}{T}



ONDAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES

Longitudinales: Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto.



Transversales: Una onda transversal es una onda en movimiento que se caracteriza porque sus oscilaciones ocurren perpendiculares a la dirección de propagación. Si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en dirección arriba y abajo que están en el plano y-z.



RASONANCIA

Es el fenómeno que se produce cuando los cuerpos vibran con la misma frecuencia, uno de los cuales se puso a vibrar al recibir las frecuencias del otro. Para entender el fenómeno de la resonancia existe un ejemplo muy sencillo, Supóngase que se tiene un tubo con agua y muy cerca de él (sin entrar en contacto) tenemos un diapasón, si golpeamos el diapasón con un metal, mientras echan agua en el tubo, cuando el agua alcance determinada altura el sonido será más fuerte; esto se debe a que la columna de agua contenida en el tubo se pone a vibrar con la misma frecuencia que la que tiene el diapasón, lo que evidencia por qué las frecuencias se refuerzan y en consecuencia aumenta la intensidad del sonido. Un ejemplo es el efecto de afinar las cuerdas de la guitarra, puesto que al afinar, lo que se hace es igualar las frecuencias, es decir poner en resonancia el sonido de las cuerdas.

ALTURA

Indica si el sonido es grave, agudo o medio, y viene determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras, medida en ciclos por segundo o hercios (Hz).
vibración lenta = baja frecuencia = sonido grave.
vibración rápida = alta frecuencia = sonido agudo.
Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe estar comprendido entre el rango de audición de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.
En la música occidental se fueron estableciendo tonos determinados llamados notas, cuya secuencia de 12 (C, C#, D, D#, E, F, F#, G, G#, A, A#, B) se va repitiendo formando octavas, en cada una de éstas se duplica la frecuencia. La diferencia entre distintas notas se denomina intervalo.

DURACIÓN

Es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido. Podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc. Los únicos instrumentos acústicos que pueden mantener los sonidos el tiempo que quieran, son los de cuerda frotada, como el violín, y los de viento (utilizando la respiración circular o continua); pero por lo general, los instrumentos de viento dependen de la capacidad pulmonar, y los de cuerda según el cambio del arco producido por el ejecutante.

INTENSIDAD

Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil.
La intensidad del sonido se divide en intensidad física e intensidad auditiva, la primera esta determinada por la cantidad de energía que se propaga, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de área perpendicular a la dirección en que se propaga la onda. Y la intensidad auditiva que se fundamenta en la ley psicofísica de Weber-Fechner, que establece una relación logarítmica entre la intensidad física del sonido que es captado, y la intensidad física mínima audible por el oído humano.
Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB) en honor al científico e inventor Alexander Graham Bell.

TIMBRE

Una misma nota suena distinta si la toca una flauta, un violín, una trompeta, etc. Cada instrumento tiene un timbre que lo identifica o lo diferencia de los demás. Con la voz sucede lo mismo. El sonido dado por un hombre, una mujer, un niño tienen distinto timbre. El timbre nos permitirá distinguir si la voz es áspera, dulce, ronca o aterciopelada. También influye en la variación del timbre la calidad del material que se utilice. Así pues, el sonido será claro, sordo, agradable o molesto.