Fisica Electro.docx

1. Reseña histórica del electromagnetismo El electromagnetismo tuvo su origen en el invento de la pila eléctrica, realizado por el italiano Alessandro Volta en 1800. Veinte años más tarde, se hizo por casualidad otro importante descubrimiento: mientras el físico danés Hans Christian Oersted impartía una clase de física a sus alumnos, empujó en forma accidental una brújula que se encontraba bajo un alambre conectado a una pila, el cual conducía una corriente eléctrica continua o directa: observó con asombro cómo la aguja realizaba un giro de 90° para colocarse perpendicularmente al alambre. Con ello se demostraba que éste, además de conducir electricidad, generaba a su alrededor una fuerza parecida a la de un imán, es decir, generaba un campo magnético; así se descubrió el electromagnetismo. Poco tiempo después, el científico francés André Marie Ampere (1775-1836), descubrió que el campo magnético podía intensificarse al enrollar el alambre conductor en forma de bobina. Este hecho condujo a Joseph Henry, el profesor estadounidense, a realizar otro descubrimiento importante; se le ocurrió recubrir con un material aislante a los alambres y los enrolló alrededor de una barra de hierro en forma de U. Luego los conectó a una batería y observó que la corriente eléctrica magnetizaba al hierro y cuando la corriente dejaba de circular entonces desaparecía el campo magnético de la barra de hierro. Se había descubierto el electroimán, pieza fundamental de los motores eléctricos. En 1821 Michael Faraday construyó el primer motor experimental. Para ello suspendió un alambre sujeto por un soporte, de tal manera que cada extremo quedase sumergido en un depósito de mercurio con un imán en el centro. Cuando se hace pasar corriente, cada extremo del alambre se mueve en círculos alrededor del imán. Después del motor de Faraday se construyeron varios tipos de motores eléctricos que funcionaban con baterías y eran utilizados para taladros, tornos o prensas de impresión. Sin embargo eran muy costosos y requerían de baterías muy grandes. Fue hasta 40 años después cuando el Ingeniero belga Théophile Gramme (18261901), construyó el primer generador eléctrico o dinamo capaz de transformar la energía eléctrica. Dado que los primeros motores utilizaban baterías productoras de corriente continua, todos los generadores de esas fechas producían ese tipo de corriente. No obstante, el tiempo habría de demostrar que era más rentable generar corriente de alto voltaje y después transformarla en otras de menor tensión. En virtud de que los transformadores sólo utilizan corriente alterna, en poco tiempo desapareció el generador de corriente continua para darle paso a escala industrial, al de corriente alterna. En 1888 Nikola Tesla inventó el motor de inducción, el cual funciona con corriente alterna y cuyos usos actualmente son muy amplios en diversos aparatos eléctricos,

como son: lavadoras, licuadoras, ventiladores, refrigeradores, tornos, bombas, sierras, taladros, entre otros. El físico ruso Heinrich Lenz (1804-1865), se especializó en la inducción eléctrica y estableció una ley que lleva su nombre, en la cual se afirma: una corriente inducida por fuerzas electromagnéticas siempre produce efectos que se oponen a las causas que lo producen. En 1873, el científico inglés James Clerck Maxwell (1831-1879), manifestó la íntima conexión entre los campos eléctrico y magnético, al señalar: un campo eléctrico variable origina un campo magnético. Con su teoría comprobó que la electricidad y el magnetismo existían juntos, y por lo tanto no debían aislarse. Esto dio origen a la Teoría Electromagnética, en ella se afirmaba que la luz se propagaba en ondas a través del espacio y así como existían ondas luminosas era posible suponer la existencia de ondas electromagnéticas viajando por el espacio. Maxwell le dio una expresión matemática a las consideraciones que hizo Faraday respecto a las líneas de fuerza magnética. Gracias a esto logró una aplicación práctica a las ideas de los campos magnético y eléctrico propuestas por Faraday. Más tarde el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), estudió las ecuaciones planteadas por Maxwell para la Teoría electromagnética y logró demostrar con la producción de ondas electromagnéticas, que éstas se desplazan por el espacio sin necesidad de cables conductores y que su naturaleza es semejante a las ondas luminosas. A fines del siglo XIX los científicos reconocieron la existencia de las ondas electromagnéticas y las llamaron ondas hertzianas como un reconocimiento a éste físico alemán. Así concluimos que el efecto magnético de la corriente y la inducción electromagnética han revolucionado a la ciencia, pues dieron origen a un área muy importante de la física llamada electromagnetismo. Al aplicar sus principios y las leyes a escala industrial, se ha logrado un gran avance tecnológico: la electrificación del mundo.

2. carga eléctrica La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones. Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo.

La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio, y se corresponde con: 

1 culombio = 6,242 x 10 18 electrones libres.

En el Sistema Cegesimal de Unidades (CGS) la carga eléctrica del electrón, es: 

e = 4.8×10-10 esu (electrostatic unit, esto es, unidad electrostática de carga) = 4.8×10-10 statC

3. estructura del átomo En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza. - El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. - La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

4. cuantizacion de la carga eléctrica La carga eléctrica no se puede dividir indefinidamente sino que existe una mínima cantidad de carga o cuanto de carga, es decir, la carga está cuantizada. La mínima cantidad de carga se llama electrón su carga elemental o carga del electrón es la constante física que corresponde a la unidad mínima e indivisible descarga: todas las cargas observables son un múltiplo entero de esta carga. Su valor es: e = 1.602 176 462(63) × 10-19 Culombios.

5. conservación de la energía eléctrica La carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales. Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Además, las cargas se pueden mover o intercambiar, pero sin que se produzcan cambios en su cantidad total (ley de conservación de la carga). Los electrones no se crean ni se destruyen, sino que simplemente se transfieren de un material a otro. Principio de la conservación de la carga Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones la carga es negativa. Si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva. En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. Cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro. La carga se conserva. En todo proceso, ya sea en gran escala o en el nivel atómico

y nuclear, se aplica el concepto de conservación de la carga. Jamás se ha observado caso alguno de creación o destrucción de carga neta

6. conductores, aislantes y semiconductores Materiales conductores Todo material formado por átomos que en su nivel de valencia posea entre uno y tres electrones tiende a desprenderse de ellos, puesto que el coste energético necesario para liberarlos es mucho menor que el necesario para completar el nivel de valencia. Por ejemplo, el cobre solamente posee un electrón en el nivel de valencia y, por lo tanto, necesita muy poca energía para desprenderse de él. La tendencia natural a ceder este electrón hace que el cobre sea un material buen conductor de la electricidad. Los metales, en general, son buenos conductores de la electricidad porque se requiere muy poca energía externa para hacer que los electrones de valencia abandonen esta órbita y queden en libertad para poder circular por el material. Ejemplos de metales conductores son el oro (Au), la plata (Ag), el cobre (Cu), el aluminio (Al) y el hierro (Fe). También son conductores de la electricidad los ácidos y las soluciones salinas.

Materiales aislantes Los materiales aislantes se caracterizan por disponer de un número de electrones de valencia comprendido entre cinco y siete. En esta situación, el coste energético para completar el nivel de valencia con ocho electrones es menor que el que supone desprenderse de ellos. Un material aislante presenta una importante oposición a la circulación de electrones, debido a que cualquier electrón libre existente en el entorno próximo de un átomo es “atrapado” por éste, lo que impide su circulación por el material. Son aislantes naturales el aire seco, el aceite mineral, el vidrio, la porcelana, la mica, el amianto, etc., y artificiales la baquelita, el cloruro de polivinilo (PVC), el poliéster, etc.

Materiales semiconductores

Generalmente cualquier material que contenga cuatro electrones en su último nivel recibe el nombre de semiconductor. En estos materiales el coste energético que supone desprenderse de los electrones de valencia es idéntico al necesario para completar el nivel de valencia con ocho electrones. En la figura 1.9 se mostraba la estructura del átomo de un material semiconductor. Aunque los materiales semiconductores puros tienen poca utilidad práctica, cuando son convenientemente modificados adquieren una especial relevancia en la fabricación de dispositivos electrónicos utilizados para el control de sistemas y equipos eléctricos. Ejemplos de semiconductores son el silicio (Si) y el germanio (Ge).

7. formas de electrización Existen tres formas de electrizar un cuerpo: electrización por frotación, contacto e inducción. En estos procedimientos siempre está presente el principio de conservación de la carga y la regla fundamental de la electrostática. Frotación En la electrización por frotación, el cuerpo menos conductor retira electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo, quedando cargado de forma negativa, y el que libera electrones queda cargado de forma positiva. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz. El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva (mayor número de protones) al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada, que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico, una explicación sobre los materiales y cómo se cargan puede hallarse en el efecto triboeléctrico. Contacto En la electrización por contacto, el cuerpo conductor es puesto en contacto con otro cuya carga no es nula. Aquel cuerpo que presente un exceso relativo de electrones los transferirá al otro. Al finalizar la transferencia los dos cuerpos quedan con carga de igual signo, ya que cargas iguales se repelen.

Inducción Cuando un cuerpo cargado se acerca a uno descargado sin llegar a tocarlo, las cargas en este último se reagrupan en dos regiones distintas del mismo, debido a que los electrones del cuerpo descargado son atraídos o repelidos a uno de los extremos según sea el caso; al alejarse nuevamente el cuerpo cargado desaparece ese reagrupamiento de cargas.

8. polarización de la carga eléctrica Se entiende por polarización a la modificación de la distribución de carga que ocurre en un material aislador por efecto de un campo eléctrico. En otras palabras, la presencia de un campo eléctrico suficientemente fuerte produce deformación en las moléculas de los materiales aislantes. Si bien esto es casi como una separación de cargas, no es posible en estos materiales extraer una carga (negativa por ejemplo) al menos que el campo eléctrico sea extremadamente grande. En ese caso se dice que el dieléctrico o la molécula están polarizados.

La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico. En una onda electromagnética NO polarizada, al igual que en cualquier otro tipo de onda transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales, como

las ondas sonoras, no pueden ser polarizadas porque su oscilación se produce en la misma dirección que su propagación.

9. electroscopio El electroscopio es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo está cargado eléctricamente.1 El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgado. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Un electroscopio pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. El primer electroscopio conocido, el versorium, un electroscopio pivotante de hojuelas de oro, fue inventado por William Gilbert en 1600.

10. fuerza eléctrica Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

FE = Fuerza eléctrica [N] q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2 [C] d = Distancia de separación entre las cargas [m] La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar la dirección y el sentido. Dirección de la fuerza eléctrica Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas.

Sentido de la fuerza eléctrica El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario. Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra Si se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace una suma de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.

11. ley de coulomb

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

12. superposición de fuerzas

Si en una región del espacio existe más de un cuerpo cargado, al colocar en dicha región una nueva carga de prueba , la intensidad de la fuerza electrostática a la que esta carga se verá sometida será igual a la suma de la intensidad de las fuerzas que ejercerían de forma independiente sobre ella cada una de las cargas existentes.

Expresado de forma matemática para un sistema de n cargas:

La existencia de este principio de superposición indica que la fuerza de interacción entre cargas puntuales no varía por la presencia de otras cargas y que la fuerza resultante es igual a la suma de las fuerzas individuales que sobre esta carga ejercen las demás.

13. noticia científica Desarrollo de organismos célula a célula ¿Cómo a partir de una sola célula puede llegar a formarse un animal o un ser humano? Aunque este sigue siendo uno de los grandes misterios de la ciencia, gracias a las técnicas de secuenciación de ARN conocidas como RNA-Seq, estamos a un paso más cerca de desentrañar el proceso completo. En 2018, científicos de todo el mundo han logrado aplicar estas técnicas para monitorizar el desarrollo de embriones de vertebrados. En junio, un equipo, liderado por el experto en genética Jeffrey A. Farrell de la Universidad de Harvard (EE UU), describió los patrones de expresión génica de cada una de las células de un embrión de pez cebra. Asimismo, otro grupo del Departamento de Biología de Sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard logró rastrear la formación de los órganos de una rana, desde las etapas más tempranas. Para Science, el desarrollo de las tecnologías que han hecho posibles estos hallazgos constituye el avance más relevante del año por “su potencial para estimular avances en investigación básica y en medicina”.

Bibliografía

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FISICA ELECTROMAGNETICA

DIEGO MAURICIO ESPINOZA FERNANDEZ CODIGO: 1151783

PROFESOR: JHON SOLARTE

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS DEPARTAMENTO DE FISICA

SAN JOSE DE CUCUTA 2019

CONTENIDO

1. reseña histórica del electromagnetismo 2. carga eléctrica 3. estructura del átomo 4. cauntizacion de la carga eléctrica 5. conservación de la carga eléctrica 6. aislantes – semiconductores – conductores 7. formas de electrización 8. polarización de la carga eléctrica 9. electroscopio 10. fuerza eléctrica 11. ley de coulomb 12. superposición de fuerzas 13. noticia